详解Unity3D Shader开发之渲染管线

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

Shader编程对于图形学渲染来说非常重要，为了让读者理解Shader编程的原理，文章会结合着可编程流水线原理与Shader编程一起给读者介绍，游戏场景中的物体渲染都是基于可编程流水线实现的，大家可以想象一下游戏开发使用的是美术制作的3D模型然后将其加入到游戏场景中进行渲染，其实就是把绘制的3D物体通过可编程流水线绘制在2D的屏幕上的过程，为了能让读者真正的了解其实现原理，下面文字会结合着图片一起讲解，首先介绍流程图如下所示：

图中流程是将3D模型通过渲染绘图管线处理也就是中间显示的黑盒子，最后在屏幕上绘制出2D图片。接下来给读者介绍渲染管线流程，它可以细分为：顶点处理，面处理，光栅化，像素处理，图示如下所示：

先介绍渲染管线的中的顶点处理，顶点处理就是通过一系列的坐标系转换，将模型的顶点在摄像机前进行位移，并最终将模型投影到摄像机的屏幕上。坐标系的流程图如下所示：

这一系列变换会涉及到各个坐标系中的矩阵变换，再将顶点变换给读者完整的展现一次，效果如下所示：

在这一阶段包括顶点的坐标变换、逐顶点雾化、材质属性和光照属性处理。接下来介绍面处理，面处理主要包括：

面的组装，面截取，面剔除，整个流程如下所示:

以3D模型为例，3D模型就是有点组成的，然后程序将点连成线，然后对其进行裁剪处理。在3D中模型的组装方式有很多种，效果如下所示：

这些点和线的绘制在DX中都有现成的接口调用。点线绘制完成后接下来开始对面进行剔除操作，在使用Unity开发中使用摄像机使可以很容易观察到物体的裁剪，效果如下所示：

面剔除完成后，接下来就需要进行光栅化操作了，先把效果图给读者展示一下：

其实在进行光栅化操作时，我们显示的物体都是有材质渲染的，这就涉及到像素处理，像素处理主要包括：对每个像素区域进行着色，对像素贴上贴图，最后形成最终的画面。

讲了这么多，我们需要知道面剔除操作是在渲染管线的哪个部分进行的，将渲染管线中的处理细化一下，效果如下所示：

渲染管线的流程是在GPU中进行的，展示效果如下所示：

如果读者使用DirectX开发过Demo，对3D调用接口应该比较熟悉，下面结合着图片把在CPU中调用的接口对应到GPU使用的接口，展示效果如下所示：

渲染管线主要分为四个步骤：顶点变换，图元装配，光栅化，像素处理，再结合着图片给读者介绍如下：

Shader编程主要是分为两部分：一部分是顶点处理，一部分是像素处理。

顶点处理：

顶点渲染的作用是对三维图元的顶点进行坐标变换和光照计算，生成可用于渲染到投影空间的顶点坐标、颜色和纹理坐标。顶点渲染就是定义了一系列针对顶点的渲染指令或渲染语句，当Direct3D处理图元顶点时，自动使用这些渲染指令或者渲染语句对每一个顶点逐一进行处理，完成顶点数据的处理工作。

再说说像素处理：

对每个像素的颜色斤西瓜混合纹理采样，包括迭代颜色和纹理坐标、纹理采样以及将纹理采样与灯光和材质的颜色进行混合。比如：Alpha测试、深度测试、模版测试、计算每个像素的雾化值、Alpha混合等。

下面把DirectX的完整代码给读者展示一下，使用的都是DX的接口，完整代码如下所示：

//============================================================================
// Desc: 纹理阶段混合状态
//============================================================================
#include 


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 全局变量
//-----------------------------------------------------------------------------
LPDIRECT3D9               g_pD3D        = NULL;  //Direct3D对象
LPDIRECT3DDEVICE9         g_pd3dDevice  = NULL;  //Direct3D设备对象
LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9   g_pVB         = NULL;  //顶点缓冲区对象
LPDIRECT3DTEXTURE9        g_pTexture    = NULL;  //纹理对象


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 顶点结构
//-----------------------------------------------------------------------------
struct CUSTOMVERTEX
{
    D3DXVECTOR3 position;   //顶点位置
    D3DXVECTOR3 normal;     //顶点法线
	FLOAT       tu, tv;     //顶点纹理坐标
};
#define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_NORMAL|D3DFVF_TEX1)


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 设置变换矩阵
//-----------------------------------------------------------------------------
VOID SetupMatrices()
{
    //建立并设置世界矩阵
    D3DXMATRIXA16 matWorld;
    D3DXMatrixIdentity( &matWorld );
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );

	//建立并设置观察矩阵
    D3DXVECTOR3 vEyePt( 0.0f, 3.0f,-5.0f );
    D3DXVECTOR3 vLookatPt( 0.0f, 0.0f, 0.0f );
    D3DXVECTOR3 vUpVec( 0.0f, 1.0f, 0.0f );
    D3DXMATRIXA16 matView;
    D3DXMatrixLookAtLH( &matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec );
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );

    //建立并设置投影矩阵
    D3DXMATRIXA16 matProj;
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj, D3DX_PI/4, 1.0f, 1.0f, 100.0f );
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matProj );
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 初始化Direct3D
//-----------------------------------------------------------------------------
HRESULT InitD3D( HWND hWnd )
{
    //创建Direct3D对象, 该对象用于创建Direct3D设备对象
    if( NULL == ( g_pD3D = Direct3DCreate9( D3D_SDK_VERSION ) ) )
        return E_FAIL;

	//设置D3DPRESENT_PARAMETERS结构, 准备创建Direct3D设备对象
    D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
    ZeroMemory( &d3dpp, sizeof(d3dpp) );
    d3dpp.Windowed = TRUE;
    d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
    d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
    d3dpp.EnableAutoDepthStencil = TRUE;
    d3dpp.AutoDepthStencilFormat = D3DFMT_D16;

    //创建Direct3D设备对象
    if( FAILED( g_pD3D->CreateDevice( D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd,
                                      D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING,
                                      &d3dpp, &g_pd3dDevice ) ) )
    {
        return E_FAIL;
    }

	//设置渲染状态
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE ); //剔除模式设置
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_ZENABLE, TRUE );          //启用深度测试
	g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, TRUE);     //启用镜面反射光照模型

	//设置纹理渲染状态
	g_pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_COLOROP,   D3DTOP_MODULATE );  //默认设置
    g_pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE );
    g_pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_DIFFUSE );
	
    g_pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_ALPHAOP,   D3DTOP_DISABLE );

	//设置纹理过滤方式
	g_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
	g_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );

	//设置变换矩阵
	SetupMatrices();

    return S_OK;
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 设置材质和灯光
//-----------------------------------------------------------------------------
VOID SetupLight()
{
	 //设置材质
    D3DMATERIAL9 mtrl;
    ZeroMemory( &mtrl, sizeof(D3DMATERIAL9) );
    mtrl.Diffuse.r = mtrl.Ambient.r = 1.0f;
    mtrl.Diffuse.g = mtrl.Ambient.g = 1.0f;
    mtrl.Diffuse.b = mtrl.Ambient.b = 1.0f;
    mtrl.Diffuse.a = mtrl.Ambient.a = 1.0f;
    g_pd3dDevice->SetMaterial( &mtrl );

    //设置灯光
    D3DXVECTOR3 vecDir;
    D3DLIGHT9 light;
    ZeroMemory( &light, sizeof(D3DLIGHT9) );
    light.Type       = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;
    light.Diffuse.r  = 1.0f;
    light.Diffuse.g  = 1.0f;
    light.Diffuse.b  = 1.0f;
    vecDir = D3DXVECTOR3(cosf(timeGetTime()/350.0f),
                         1.0f,
                         sinf(timeGetTime()/350.0f) );
    D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&light.Direction, &vecDir );
    light.Range       = 1000.0f;
    g_pd3dDevice->SetLight( 0, &light );
    g_pd3dDevice->LightEnable( 0, TRUE );
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, TRUE ); //默认设置

    //设置环境光
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_AMBIENT, 0x00808080 );
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 创建场景图形(纹理和顶点缓冲区)
//-----------------------------------------------------------------------------
HRESULT InitGeometry()
{
	//创建纹理对象
	if( FAILED( D3DXCreateTextureFromFile( g_pd3dDevice, L"texture.jpg", &g_pTexture ) ) )
    {
       MessageBox(NULL, L"创建纹理失败", L"Texture.exe", MB_OK);
       return E_FAIL;
    }

    //创建顶点缓冲区
    if( FAILED( g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer( 50*2*sizeof(CUSTOMVERTEX),
                                                  0, D3DFVF_CUSTOMVERTEX,
                                                  D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, NULL ) ) )
    {
        return E_FAIL;
    }

    //填充顶点缓冲区
    CUSTOMVERTEX* pVertices;
    if( FAILED( g_pVB->Lock( 0, 0, (void**)&pVertices, 0 ) ) )
        return E_FAIL;
    for( DWORD i=0; i<50; i++ )
    {
        FLOAT theta = (2*D3DX_PI*i)/(50-1);
        pVertices[2*i+0].position = D3DXVECTOR3( sinf(theta),-1.0f, cosf(theta) );
        pVertices[2*i+0].normal   = D3DXVECTOR3( sinf(theta), 0.0f, cosf(theta) );
		pVertices[2*i+0].tu       = ((FLOAT)i)/(50-1);
        pVertices[2*i+0].tv       = 1.0f;

        pVertices[2*i+1].position = D3DXVECTOR3( sinf(theta), 1.0f, cosf(theta) );
        pVertices[2*i+1].normal   = D3DXVECTOR3( sinf(theta), 0.0f, cosf(theta) );
		pVertices[2*i+1].tu       = ((FLOAT)i)/(50-1);
        pVertices[2*i+1].tv       = 0.0f;
    }
    g_pVB->Unlock();

    return S_OK;
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Name: 释放创建的对象
//-----------------------------------------------------------------------------
VOID Cleanup()
{
	//释放纹理对象
	 if( g_pTexture != NULL )
        g_pTexture->Release();

	//释放顶点缓冲区对象
    if( g_pVB != NULL )
        g_pVB->Release();

	//释放Direct3D对象
    if( g_pd3dDevice != NULL )
        g_pd3dDevice->Release();

	//释放Direct3D对象
    if( g_pD3D != NULL )
        g_pD3D->Release();
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 渲染图形 
//-----------------------------------------------------------------------------
VOID Render()
{
    //清除后缓冲区和深度缓冲区
    g_pd3dDevice->Clear( 0, NULL, D3DCLEAR_TARGET|D3DCLEAR_ZBUFFER,
                         D3DCOLOR_XRGB(45, 50, 170), 1.0f, 0 );

    //开始在后台缓冲区绘制图形
    if( SUCCEEDED( g_pd3dDevice->BeginScene() ) )
    {
		//设置材料和灯光, 因为灯光属性不断变化,所以在此设置
		SetupLight(); 

		//在后台缓冲区绘制图形
		g_pd3dDevice->SetTexture( 0, g_pTexture );  //设置纹理
        g_pd3dDevice->SetStreamSource( 0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX) );
        g_pd3dDevice->SetFVF( D3DFVF_CUSTOMVERTEX );
        g_pd3dDevice->DrawPrimitive( D3DPT_TRIANGLESTRIP, 0, 2*50-2 );

        //结束在后台缓冲区绘制图形
        g_pd3dDevice->EndScene();
    }

	//将在后台缓冲区绘制的图形提交到前台缓冲区显示
    g_pd3dDevice->Present( NULL, NULL, NULL, NULL );
}


//-----------------------------------------------------------------------------
// Desc: 消息处理
//-----------------------------------------------------------------------------
LRESULT WINAPI MsgProc( HWND hWnd, UINT msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam )
{
	switch( msg )
	{
	case WM_DESTROY:
		Cleanup();
		PostQuitMessage( 0 );
		return 0;
	}

    return DefWindowProc( hWnd, msg, wParam, lParam );
}


//--------------------------------------------------------
// Desc: 入口函数
//--------------------------------------------------------
INT WINAPI WinMain( HINSTANCE hInst, HINSTANCE, LPSTR, INT )
{
    //注册窗口类
    WNDCLASSEX wc = { sizeof(WNDCLASSEX), CS_CLASSDC, MsgProc, 0L, 0L,
                      GetModuleHandle(NULL), NULL, NULL, NULL, NULL,
                      L"ClassName", NULL };
    RegisterClassEx( &wc );

    //创建窗口
    HWND hWnd = CreateWindow( L"ClassName", L"纹理阶段混合状态",
                              WS_OVERLAPPEDWINDOW, 200, 100, 500, 500,
                              GetDesktopWindow(), NULL, wc.hInstance, NULL );

    //初始化Direct3D
    if( SUCCEEDED( InitD3D( hWnd ) ) )
    {
        //创建场景图形
        if( SUCCEEDED( InitGeometry() ) )
        {
            //显示窗口
            ShowWindow( hWnd, SW_SHOWDEFAULT );
            UpdateWindow( hWnd );

            //进入消息循环
            MSG msg;
            ZeroMemory( &msg, sizeof(msg) );
            while( msg.message!=WM_QUIT )
            {
                if( PeekMessage( &msg, NULL, 0U, 0U, PM_REMOVE ) )
                {
                    TranslateMessage( &msg );
                    DispatchMessage( &msg );
                }
                else
				{
                    Render();  //渲染图形
				}
            }
        }
    }

    UnregisterClass( L"ClassName", wc.hInstance );
    return 0;
}

这些操作都是在CPU中进行的，下面对应的是在Unity3D shader中的代码，Shader代码如下所示：

Shader "Custom/RenderPipeline" {
	
	Properties {
		_Color ("Main Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader {

		Pass{
		// Dont write to the depth buffer
		ZWrite off

		// Set up alpha blending
		Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"

		sampler2D _MainTex;
		float4 _Color;

		struct v2f{
			float4 pos:SV_POSITION;
			float4 texcoord : TEXCOORD0;
		};

		v2f vert(appdata_base v)
		{
			v2f o;
			o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
			o.texcoord = v.texcoord;
			return o;
		}

		half4 frag(v2f i):COLOR0
		{
			half4 col = _Color * tex2D(_MainTex, i.texcoord.xy);
			return col;
		}

		ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

关于渲染管线的介绍，就讲到这里，主要是通过图片的描述让读者知道渲染管线是如何工作的。结合着DirectX和Unity3D Shader也是告诉读者CPU和GPU之间的对应关系，文中展示的Unity3D Shader相对来说比较简单，Shader中的模型视图投影矩阵的表示为UNITY_MATRIX_MVP，mul表示的是将模型顶点转换到投影矩阵中。。。。。。