Unity Shader入门精要读书笔记序章

Posted 2020-09-30 小江村儿的文杰

本系列的博文是笔者读《Unity Shader入门精要》的读书笔记，这本书的章节框架是：

第一章：着手准备。

第二章：GPU流水线。

第三章：Shader基本语法。

第四章：Shader数学基础。

第五章：利用简单的顶点/片元着色器来实现辅助技巧。

第六章：基本光照模型。

第七章：法线纹理、遮罩纹理等基础纹理。

第八章：透明度测试和透明度混合。

第九章：复杂光照实现。

第十章：高级纹理（立方体纹理等）。

第十一章：纹理动画、顶点动画。

第十二章：屏幕特效。

第十三章：深度纹理。

第十四章：非真实感的渲染算法。

第十五章：噪声在游戏渲染中的应用。

第十六章：优化技巧。

第十七章：表面着色器实现渲染。

第十八章：物理渲染技术。

第十九章：Unity5中的可能出现的问题。

第二十章：更深入的大门。

 

本书的主旨：原理+使用技巧。

 

第一篇的笔记：

第二篇到第四篇没有动手编程，都是理论知识。

 

第二篇《渲染流水线》的笔记：

1.渲染流水线是为了在屏幕上渲染二维图像；

2.渲染流水线的输入是虚拟摄像机、光源、shader和纹理；

3.渲染流程的三个阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段；

4.应用阶段是CPU负责实现的，开发者主导此阶段；

5.开发者在应用阶段下的任务有：a准备好场景如摄像机的位置和朝向、光源等，b粗粒度剔除工作，是为了将不可见的物体剔除，不让它们传到几何阶段，c设置好每一个模型的渲染状态如材质、纹理、shader等；

6.渲染图元包括点、线、三角面等需要被绘制的几何信息；

7.几何阶段在GPU上进行，它决定图元以何种方式绘制，在哪里绘制等，和每一个渲染图元打交道，输入的渲染图元经过多步处理后，输出屏幕空间中的而为顶点坐标、深度值、着色细节等信息；

8.光栅化阶段是为了利用上一个阶段产生的信息产生屏幕上的像素，渲染出最终图像的，在GPU上进行本阶段。对顶点的数据进行插值，得到最终的像素。

9.三个阶段都会有更加细的流水线划分；

10.CPU是渲染流水线的起点；

11.应用阶段a将数据加载到显存中，b设置渲染状态（也就是shader、纹理等），c调用drawcall；

12.渲染所需数据从硬盘HDD加载到内存RAM中，再被加载到显存VRAM中；

13.显卡对显存的访问更加快，比起对内存，更不用说比起HDD；

14.渲染状态规定了场景中的网格是如何被渲染的，例如使用了何种顶点着色器（VertexShader）片元着色器（FragmentShader）、光源属性和材质等；

15.CPU将渲染状态准备好后，通过调用DrawCall让GPU进行渲染，如果一直不改动此渲染状态，那么GPU将会一直以这个渲染状态来进行绘制；

16.DrawCall的调用不需要指定任何材质信息（原因上一点也说了），一次DrawCall命令针对一个图元Primitives的列表；

17.顶点数据由CPU加载到显存上去，然后DrawCall交由顶点着色器处理；

18.顶点着色器完全可编程，通常为顶点做空间变换，顶点着色等功能；

19.曲面细分着色器用于细分图元；

20.几何着色器用于逐图元着色，或者用于产生更多的图元；

21.裁剪将不再摄像机内的顶点裁掉，剔除某些三角形面；

22.屏幕映射将图元的坐标切换到屏幕坐标系下；

23.几何阶段的流水线为：顶点数据》顶点着色器》曲面细分着色器（可选）》几何着色器（可选）》裁剪》屏幕映射；

24.片元着色器可以编程，负责逐片元操作，逐片元操作为了执行颜色修改、深度缓冲、混合等，逐片元操作是可配置而不可编程的；

25.光栅化阶段的流水线是：三角形设置》三角形遍历》片元着色器》逐片元操作；

 

 

26.顶点着色器处理单元是顶点，每进来一个顶点就会调用一次顶点着色；

27.顶点着色器本身不知道顶点之间的拓扑关系，也不销毁或创建顶点；

28.顶点着色器能够并行处理顶点，因为顶点之间相互独立；

29.顶点着色器主要完成坐标变换和逐顶点光照计算；

30.顶点着色器必须要完成的一个工作：把顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间，这个空间是视野空间，这个空间也是为了做裁剪运算的，比如把不在（-1，-1，-1）到（1,1,1）里的点裁剪掉；

31.术语：归一化设备坐标NDC；

32.OpenGL和Unity的NDC中的z分量是-1到1的，而DX是0到1的；

33.在NDC单位立方体内进行裁剪时，在视野内的部分保留，因而可能产生新顶点，效果如下：

 

 

34.裁剪是硬件决定的，无法编程；

35.屏幕映射将图元的x和y转换到屏幕坐标系下，屏幕映射不处理z，z和映射后的xy合称窗口坐标系；

 

 

36.DX的屏幕坐标系原点在左上角（和UE一样），OpenGL的原点在左下角；

37.经过了几何阶段的屏幕映射的处理，将会传来关于顶点的额外信息如深度值，法线，视角方向等；

38.光栅化的两个重要目标：a图元覆盖了哪些像素，b计算这些像素的颜色；

39.三角形设置是为了计算三角形三条边处在哪些像素上的；

40.三角形遍历是为了计算某一个像素是否被一个三角形覆盖，如果是的话，这些像素称为“片元”fragment，这个遍历过程也称为扫描变换；注意片元和像素并不完全一致；

41.在所有的量上，比如深度、颜色等，为片元进行插值计算；

42.片元着色器接受三角形遍历得到的对顶点插值的结果，输出是一个或者多个颜色值；

43.片元着色器还能够完成重要的渲染技术如纹理采样；

44.真正对像素产生影响的阶段是逐片元操作；

45.逐片元操作PerFragmentOperations是OpenGL的说法，在DX中称为OutputMerger输出合并阶段；

46.逐片元操作a决定每个片元的可见性，如深度测试等，b将片元和已经储存在颜色缓冲区的颜色进行合并，或者说混合；

47.逐片元操作是可配置的；

48.逐片元操作的流程：片元》模板测试》深度测试》混合》颜色缓冲区；

49.模板测试是自定义的测试，当一个片元的某个指标值和缓冲区中的此指标值做比较，通过测试的话，就可以进入下一个测试，没有通过的话就被舍弃；不管有没有通过，都可以设置缓冲区中的指标值；

50.深度测试常常用来做前后遮挡的测试，如当前片元的深度比缓冲区中的深度小（靠近屏幕），那么它就通过测试，并有权利修改缓冲区中的深度指标；

51.通过了所有测试的进入混合操作，如果没有开启混合（也就是完全遮挡的），那么直接使用该片元的颜色，更新到缓冲区中的颜色值；如果开启了的话，将缓冲区和本片元的颜色做一个数学运算得到新值写入给缓冲区；

52.逐片元操作中的测试往往会被移到更加早的步骤上进行测试，为了节省计算；深度测试提早做，EarlyZ技术；

53.避免我们看到光栅化中的图像，将会进行双重缓冲，即当下一帧画面的内容准备好后，才登上屏幕；

54.OpenGL和DX是计算机图像的API，由APP调用，GL和DX则会去调用显卡驱动，显卡驱动真正去调用硬件设备；

55.SL着色语言是用来编写着色器代码的，从而避免写汇编语句，HLSL是DX的着色语言，GLSL是OpenGL的着色语言，CG（C for Graphic）是NVIDIA的着色语言；

56.UnityShader语言和CG、HLSL和GLSL不完全一样是着色器语言；

57.CPU和GPU是如何一起工作的？有一个命令缓冲队列，CPU向其中塞入命令如DrawCall或者改变渲染状态，而GPU则是从中获取命令并执行；

58.渲染速度往往快于提交命令的速度，也就是说CPU提交DrawCall数目太多将会导致效率低（复制10000个1kb文件和复制一个10M文件的比喻，即提交大量很小的DrawCall会导致效率低下）；

59.如何减少DrawCall？尽量让一次DrawCall做很多活，也就是批处理思想；

60.固定函数流水线也称为固定管线，通常指在较旧的GPU上实现的渲染流水线；（只可以配置而不可以完全控制，就好像只能使用开关控制而不能修改布局的电路）；注：管线是管道线的简称，也就是封闭的流水线，无法完全操控内部；

61.Shader是GPU流水线上一些课高度编程的阶段，最终代码在GPU上运行，有特定类型的着色器（顶点着色器、片元着色器），利用着色器控制流水线中的渲染细节如顶点着色器进行变换等；