Unity Shaders学习笔记——渲染管线

Posted 2020-07-26

【Unity Shaders】学习笔记——Shader和渲染管线

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写作本系列文章时使用的是Unity5.3。
写代码之前：

1. 当然啦，如果Unity都没安装的话肯定不会来学Unity Shaders吧？

2. 阅读本系列文章之前你需要有一些编程的概念。

3. 在VS里面，Unity Shaders是没有语法高亮显示和智能提示的，VS党可以参考一下这篇文章使代码高亮显示，也可以下载shaderlabvs或NShader之类的插件使代码高亮显示。

4. 这是针对小白的Unity Shaders的基础知识，如果你已经有了基础或者你是大神，那么这些文章不适合你。

5. 由于作者水平的局限，文中或许会有谬误之处，恳请指出。

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Shader的意思就是着色器，也就是“给物体上色”，所以Shader的作用就是计算物体最终显示的颜色是什么。
GPU这个名词相信大家都不陌生。它是计算机处理图像的元件。GPU是Graphic Processing Unit（图形处理单元）的缩写。由于 GPU 具有高并行结构（highly parallel structure），所以 GPU 在处理图形数据和复杂算法方面拥有比 CPU 更高的效率。我们来看一下下面两段代码的对比，这两段代码都是提取 2D 图像上每个像素点的颜色值，第一段是在CPU上运算的C++代码，第二段是在GPU上运算的Cg代码：

CPU要用for循环语句遍历像素，而GPU只要一行代码就够了。GPU在图形处理方面很强大吧？
而Shader，就是GPU执行的一段针对3D对象进行操作的程序。

Shader开发语言

• HLSL: 主要用于Direct3D。平台:windows。

• GLSL: 主要用于OpenGL。 平台:移动平台（ios，安卓），mac(only use when you target Mac OS X or OpenGL ES 2.0)

• CG：与DirectX 9.0以上以及OpenGL 完全兼容。运行时或事先编译成GPU汇编代码。
  CG比HLSL、GLSL支持更多的平台，Unity Shader采用CG/HLSL作为开发语言。

Unity3d里CG如何编译

• Windows：Direct3D GPU汇编代码

• Mac:OpenGL GPU汇编代码

• Flash: flash GPU汇编代码

• Ios/android: Unity会将CG转换成GLSL代码
  也就是除了移动平台会把CG转换成GLSL代码，其余平台都是转换成汇编代码。

渲染管线

Shader按管线分类一般分为固定渲染管线与可编程渲染管线。
渲染管线（Rendering Pipeline）其实就是GPU渲染流程。你可以这样理解渲染，在一个三维坐标系下，给定一个视点（即摄相机），给定三维物体、光源以及照明模式、纹理等信息，如何绘制一幅呈现在视点画面中的二维图像的过程。
早期GPU遵循的管线叫固定管线（Existing Fixed Function Pipeline）。

（英语不太好的查下图中每个方框里的单词，因为我懒得在图上标注中文了）
图中橙色的部分是用户可以通过GPU配置的。顾名思义，固定管线就是功能固定的管线啦。所谓的功能固定，按照我的理解，就是物体表面与光的反射、折射的算法固定，无法修改，因此物体只能表现出类似塑料的那种质感（如果你用3DMax建过模型，你会理解的），虽然可以用贴图来弥补。固定管线只能配置“是否开启雾效”、“是否开启光照”、“是否开启深度测试”等一些参数，而不能控制物体与光交互的算法。不同质感的物体，比如金属和木头，金属反光强烈，看起来质感坚硬，木头反光较弱，看起来质感较软一些，金属和木头两种材质着色的算法应该是不一样的。总之，固定管线因为功能固定，无法在程序上对物体细节的表现给予更多更自由的控制，无法达到更多更炫酷的效果。
如今已经不再需要学习固定管线了，GPU都已经进入了2.0时代，新的显卡都是可编程渲染管线了。
所谓的可编程，就是上面所说的功能固定的那个部分，变成可以由程序员编程控制了。这样自由度就更大了，可以表现出更多的特效了。
先来看看可编程渲染管线的流程吧。

第一块橙色，是Vertex Shader（顶点着色），第二块橙色是Fragment Shader（片元着色）。这两个部分，就是程序员可以编程的部分了。顶点着色程序，它的作用是逐个对顶点进行变换，得到物体的轮廓，然后对面上的像素进行线性插值。片元着色程序，根据检测不同，来决定是否修正每个像素的color等信息，逐像素处理。Vertex的输出是Fragment的输入。Vertex是顶点变换，输入和输出都需要包含顶点的position信息；Fragment是色深的变化，输出一般只有color信息。如果你是第一次接触这部分的知识，你可能会觉得有些迷惑，不过没关系，随着学习的深入你会渐渐明白。你只要大致明白，定点着色器主要是对顶点进行处理，而片元着色器主要是计算像素的色彩。
其实还有其他的着色程序，但这里不会涉及，所以不会深入说明。

OpenGL渲染管线

 

 

如图所示，这是OpenGL的工作流程图。
关于图中的各个过程具体都在做些什么工作，可以看看这篇博客,讲得挺详细的，我就不赘述了。
上述的这些过程，初学者可以简单地记为四个部分

 

顶点变换 → 图元装配和光栅化 → 片元纹理映射和着色 → 写入帧缓存

可编程的部分就是顶点变换和片元着色啦。

Unity3D的四种Shader

Unity的Shader有四种：

1. Fixed function shader 属于固定渲染管线Shader, 基本用于高级Shader在老显卡无法显示时的备用Shader。

2. Vertex and Fragment Shader 最强大的Shader类型，属于可编程渲染管线。使用的是CG/HLSL语言。也就是我上面说过的两种。

3. Surface Shader Unity3d推荐的Shader类型。它是一个代码生成器，帮我们将重复的代码省去了，使得编写Shader更为容易。使用的也是CG/HLSL语言。

4. Compute Shader 这是Unity3D新增的一种。看下度娘百科对它的介绍：

Compute Shader技术是微软DirectX 11 API新加入的特性，在Compute Shader的帮助下，程序员可直接将GPU作为并行处理器加以利用，GPU将不仅具有3D渲染能力，也具有其他的运算能力，也就是我们说的GPGPU的概念和物理加速运算。

Compute Shader 使用HLSL语言。

接下来我们就要从最简单的Surface Shader学起。