《Unity Shader入门精要》第一章

目录

一、书籍分类和全书重点（尽量简化）

  1.书籍分类

  2.全书重点

二、第二章 渲染流水线

  1.本章重点（尽量简化）

  2.章节联系

    2.1 二之一

    2.2 二之三

    2.3 二之四

三、本章详解

  1 综述

    1.1 应用阶段

    1.2 几何阶段

    1.3 光栅化阶段

  2 CPU和GPU之间的通信

  3 GPU流水线

四、问题

  1.什么是OpenGL和DirectX？

  2. 什么是HLSL、GLSL、CG？

  3. 什么是 Draw Call，为什么 Draw Call多了会影响帧率?

  4. 如何减少 Draw Call?

五、思维导图

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一、书籍分类和全书重点（尽量简化）

  1.书籍分类

        实用文，学习Unity Shader基础。

  2.全书重点

        从基础开始，逐渐了解并掌握如何编写Unity Shader。并且建立对渲染流程的基本认识，学习Unity 中的一些渲染机制以及如何使用 Unity Shader实现各种自定义的渲染效果。

二、第二章 渲染流水线

  1.本章重点（尽量简化）

        第二章讲授GPU怎么渲染流水线的。

  2.章节联系

    2.1 二之一

        第一章就是聊聊天，介绍了一下书籍结构。

    2.2 二之三

        第三章讲的是Unity Shader实现原理和基本语法。

    2.3 二之四

        第四章讲的是学籍Shader所需的数学基础。

三、本章详解

  1 综述

        Shader是着色器，与之关系非常紧密的是渲染流水线。

        流水线就是将需求分步骤进行，然后间距一个或多个步骤进行操作，让每一步间隔开来，每一个时间同时做多个步骤，会让速度大幅度提升。

        渲染流水线的工作目的：由一个三维场景出发、生成（渲染）一张二维图像到屏幕上。

        渲染流程分为三个阶段：应用阶段-几何阶段-光栅化阶段。

    1.1 应用阶段

        CPU负责，主要任务：准备好场景数据，例如摄像机位置，场景包含那些模型等；粗粒度剔除(culling)工作，将不可见的物体剔除除去；设置好每个模型的渲染状态，例如使用的纹理，材质等；输出的是渲染图元，渲染所需的几何信息。

    1.2 几何阶段

        GPU上运行，主要任务：对每一个渲染图元进行逐顶点、逐多边形的操作；将顶点坐标变换到屏幕空间；输出的是屏幕空间的而为顶点坐标、深度值等。

    1.3 光栅化阶段

        GPU上运行，主要任务：将上一个阶段传递过来的数据产生屏幕上的图像，渲染出最终图像。

  2 CPU和GPU之间的通信

        渲染流水线的起点是CPU，就是应用阶段。分为三个阶段：将数据加载到显存中；设置渲染状态；调用Draw Call。

        把数据加载到显存中：所有渲染所需的数据都需要从硬盘加载到系统内存中，然后网格和纹理等数据加载到显卡上的存储空间——显存(感觉像显卡的Cache)。

        设置渲染状态：渲染状态就是定义场景中网格是怎么样被渲染的。例如顶点着色器(Vertex Shader)/片元着色器(Fragment Shader)、光源属性、材质等。

        调用Draw Call：CPU发起到GPU接收，命令指向需要被渲染的图元(primitives)列表，之后就让GPU渲染这些图元。

  3 GPU流水线

渲染流水线

        顶点着色器：逐顶点光照和坐标变换（转换为齐次裁剪坐标系）。输出后续所需的数据。

        裁剪：不在摄像机视野范围内的不需要被处理。

        屏幕映射：把每个图元的x和y坐标转换到屏幕坐标系。就是在1*1的坐标系的点变换为你屏幕的1920*1080的点上。

        三角形设置：计算每个图元覆盖了那些像素，以及计算其颜色。

        三角形遍历：检查每一个像素是否被三角形所覆盖（覆盖的就是片元）。找到这些片元。并且使用这三个顶点信息对覆盖区域进行插值（深度）。输出带有数据的片元序列。

三角形遍历

        片元着色器：根据上一阶段的插值结果，输出片元的颜色。

片元着色器 

        逐片元操作：决定每片片元的可见性（深度、模板测试等），通过测试后就和已经存储在颜色缓冲区的颜色进行合并（屏幕不是突然就变颜色的，会有个缓冲，就是颜色合并；缓冲区就是计算机提前计算好下一帧的显示画面在缓存区里，就可以直接替换屏幕画面）。

四、问题

  1.什么是OpenGL和DirectX？

        OpenGL和DirectX是图像编程接口，是各种寄存器、显存等硬件的一层抽象。就是让我们编程能让计算机听懂并执行的桥梁。

CPU、OpenGL/DirectX、显卡驱动和GPU之间的关系

  2. 什么是HLSL、GLSL、CG？

        着色器语言。HLSL是DirectX的、GLSL是OpenGL的、NVIDIA是CG。这些语言会编译成中间语言IL，之后交给显卡驱动翻译成机器语言（有点类似CLR）。

  3. 什么是 Draw Call，为什么 Draw Call多了会影响帧率?

        Draw Call就是CPU调用图形编程接口，叫显卡干活了。CPU到GPU整了个命令缓冲器，为了让GPU渲染之后干下一个活（没干完活你就叫他渲染其他的，就会发生有部分渲染不到的屏幕），CPU添加命令，GPU读取，两者不冲突。

命令缓冲区 

        GPU一般渲染速度会大于CPU提交命令的速度，如果一个个提交DrawCall的话，GPU就会渲染一下，然后就睡觉等你继续提交。为了不让GPU睡觉，就让CPU一次提交批处理过的Draw Call（就类似复制一百个1kb文件是比复制100kb文件慢）。

  4. 如何减少 Draw Call?

        对Draw Call进行批处理。将很多小的Draw Call合并成大的Draw Call。但是合并也要耗费性能，所以尽量对静态物体进行批处理，就可以减少合并次数，动态的批处理就要每次重新合并。（类似背包系统就要用到批处理Draw Call）

五、思维导图