深入理解渲染流水线----学习Shader的基础（入门必备）

       序：今天早晨偶然看到一个名词Unity-SRP，SRP吓我一跳。。。一时间没反应过来是什么东西，好高大尚的名词，遂决定写这篇文章。一来想把接触过的都总结下来，所谓的前人栽树后人乘凉（把自己说的高尚了点。。。hhh）与君共勉；二来，一直对shader比较感兴趣，作shader系列的博客深挖一些技术知识。

       题外知识：SRP，其实就是Scriptable Render Pipeline，可编程脚本渲染管线。别被这么高端的名词吓到，很简单，它就Unity中通过C#可以对渲染进行配置和执行的一种方式（Unity2018下载自带，对于开发者来说更加方便。新版Unity的SRP这块我再后面会详细介绍，现在先简单有个概念）。渲染管线：看起来应该是个名词，指的是将一个对象显示到屏幕上这个过程，这个流水线，我们要研究的就是这个过程中的一些技术。

       正题：渲染管线即渲染流水线，这个流水线任务是从三维的物体生成一张二维的图像，而流水线的工人是CPU和GPU。这个流水线一共分为三个阶段：

      应用阶段-->几何阶段-->光栅化阶段

      应用阶段：

                      负责人：开发人员主导；

                      执行者：CPU；

                      工作：1.准备好场景数据，包括摄像机，模型，光源等  ；2.不可见的做一些剔除；3.设置模型的渲染状态（eg:材质、纹理、shader等） 等。

                      输出：渲染图元(通俗点应该就是点，线，面等)

                       分为三个阶段：

                        1.数据加载到显存：所有渲染所需的数据先从硬盘加载到内存然后又被加载到显存（因为显卡对显存的访问速度快）                 

                        2.设置渲染状态（即告诉GPU该如何渲染），根据不同的渲染状态，网格会渲染成不同结果。

                        3.调用DrawCall(即DC)。发起方CPU，接收方GPU。CPU告诉GPU可以开始渲染了，GPU就开始根据之前的渲染状态和提前准备好的数据计算，输出屏幕上的像素。

      几何阶段：

                      执行者：GPU；

                      工作：逐顶点、逐多边形的看看需要绘制什么，怎么样绘制和绘制在哪里。

                       输出：屏幕空间的二维顶点坐标，也包含每个顶点的深度和着色等信息。

       光栅化阶段：

                      执行者：GPU；

                      工作：用上个阶段的数据产生像素，渲染到屏幕上。

后两个阶段就是GPU的流水线所做的事情，下面我们具体看看GPU的流水线（将上面后两个阶段更加细分）：

            几何阶段：顶点数据-->顶点着色器-->曲面细分着色器-->几何着色器-->裁剪-->屏幕映射

            光栅化阶段： -->三角形设置-->三角形遍历-->片元着色器-->逐片元操作-->屏幕图像

 下面具体介绍一下流水线中的这几个阶段：

       顶点着色器：完全可编程，实现顶点空间变换、顶点着色等。

       这些顶点相互独立，并行处理，主要完成坐标变换（注：可以改变顶点的位置，所以可以模拟水面变化等）和逐顶点光照。坐标变化：顶点坐标从模型空间到齐次裁剪空间。我们常看到的这一句shader代码就完成了这个基本操作：o.pos = mul(UNITY_MVP， v.position);（最终得到的是归一化的设备坐标，即NDC，DirectX中这个坐标的z分量是0~1，OpenGL，Unity使用的这个坐标的z分量是 -1 ~1）

       曲面细分着色器：可选，细分图元；

       几何着色器：可选，逐片元着色或产生更多片元；

       裁剪：可配置，将不在摄像机视野中的顶点裁掉，剔除一些三角面片。完全不在视野中的裁剪掉，一部分在视野里的裁掉后用新顶点（交界处）代替。

       屏幕映射：不可配置和编程，把图元坐标转换到屏幕坐标系中。这步输入仍是三维的坐标，将图元的x,y转换到屏幕坐标系下（二维，和分辨率有关）。opengl左下角为（0,0），DirectX左上角为 （0,0）。

       三角形设置，三角形遍历：固定函数阶段。之前的输出都是顶点和顶点信息，现在开始计算三角网格的边，三角形设置开始计算光栅化一个三角形网格所需的信息。三角遍历会检查每个像素是否被一个三角网格覆盖，如果覆盖就生成一个片元，使用三个顶点的信息对覆盖区域的像素进行插值，输出一堆片元。片元还不是最终的像素，里面还有一些状态，用来生成最终像素的颜色。     

       片元着色器（DX中也叫像素着色器）：输入是上个阶段的顶点插值后的信息，输出是颜色值。可编程，逐片元着色。很多渲染技术在这里。

       逐片元操作：不可编程，可配置。eg:修改颜色、深度缓冲、混合等。决定每个片元的可见性；如果通过了测试，将这个片元的颜色值和已经存储在颜色缓冲区的颜色合并（混合）。如下图：

                    片元-->模板测试-->深度测试-->混合-->颜色缓冲区

        总结：ok，就这么多了，如果能理解了这些，我想基本上对渲染管线有个基础的了解，才可以进而去学习更高级的图形渲染技术。欢迎大家来拍砖！

参考 《Unity Shader 入门精要》冯乐乐