Unity Shader入門精要讀書筆記（一）序章

本系列的博文是筆者讀《Unity Shader入門精要》的讀書筆記，這本書的章節框架是：

第一章：着手準備。

第二章：GPU流水線。

第三章：Shader基本語法。

第四章：Shader數學基礎。

第五章：利用簡單的頂點/片元着色器來實現輔助技巧。

第六章：基本光照模型。

第七章：法線紋理、遮罩紋理等基礎紋理。

第八章：透明度測試和透明度混合。

第九章：複雜光照實現。

第十章：高級紋理（立方體紋理等）。

第十一章：紋理動畫、頂點動畫。

第十二章：屏幕特效。

第十三章：深度紋理。

第十四章：非真實感的渲染算法。

第十五章：噪聲在遊戲渲染中的應用。

第十六章：優化技巧。

第十七章：表面着色器實現渲染。

第十八章：物理渲染技術。

第十九章：Unity5中的可能出現的問題。

第二十章：更深刻的大門。

 

本書的主旨：原理+使用技巧。

 

第一篇的筆記：

第二篇到第四篇沒有動手編程，都是理論知識。

 

第二篇《渲染流水線》的筆記：

1.渲染流水線是爲了在屏幕上渲染二維圖像；

2.渲染流水線的輸入是虛擬攝像機、光源、shader和紋理；

3.渲染流程的三個階段：應用階段、幾何階段、光柵化階段；

4.應用階段是CPU負責實現的，開發者主導此階段；

5.開發者在應用階段下的任務有：a準備好場景如攝像機的位置和朝向、光源等，b粗粒度剔除工做，是爲了將不可見的物體剔除，不讓它們傳到幾何階段，c設置好每個模型的渲染狀態如材質、紋理、shader等；

6.渲染圖元包括點、線、三角面等須要被繪製的幾何信息；

7.幾何階段在GPU上進行，它決定圖元以何種方式繪製，在哪裏繪製等，和每個渲染圖元打交道，輸入的渲染圖元通過多步處理後，輸出屏幕空間中的而爲頂點座標、深度值、着色細節等信息；

8.光柵化階段是爲了利用上一個階段產生的信息產生屏幕上的像素，渲染出最終圖像的，在GPU上進行本階段。對頂點的數據進行插值，獲得最終的像素。

9.三個階段都會有更加細的流水線劃分；

10.CPU是渲染流水線的起點；

11.應用階段a將數據加載到顯存中，b設置渲染狀態（也就是shader、紋理等），c調用drawcall；

12.渲染所需數據從硬盤HDD加載到內存RAM中，再被加載到顯存VRAM中；

13.顯卡對顯存的訪問更加快，比起對內存，更不用說比起HDD；

14.渲染狀態規定了場景中的網格是如何被渲染的，例如使用了何種頂點着色器（VertexShader）片元着色器（FragmentShader）、光源屬性和材質等；

15.CPU將渲染狀態準備好後，經過調用DrawCall讓GPU進行渲染，若是一直不改動此渲染狀態，那麼GPU將會一直以這個渲染狀態來進行繪製；

16.DrawCall的調用不須要指定任何材質信息（緣由上一點也說了），一次DrawCall命令針對一個圖元Primitives的列表；

17.頂點數據由CPU加載到顯存上去，而後DrawCall交由頂點着色器處理；

18.頂點着色器徹底可編程，一般爲頂點作空間變換，頂點着色等功能；

19.曲面細分着色器用於細分圖元；

20.幾何着色器用於逐圖元着色，或者用於產生更多的圖元；

21.裁剪將再也不攝像機內的頂點裁掉，剔除某些三角形面；

22.屏幕映射將圖元的座標切換到屏幕座標系下；

23.幾何階段的流水線爲：頂點數據》頂點着色器》曲面細分着色器（可選）》幾何着色器（可選）》裁剪》屏幕映射；

24.片元着色器能夠編程，負責逐片元操做，逐片元操做爲了執行顏色修改、深度緩衝、混合等，逐片元操做是可配置而不可編程的；

25.光柵化階段的流水線是：三角形設置》三角形遍歷》片元着色器》逐片元操做；

 

 

26.頂點着色器處理單元是頂點，每進來一個頂點就會調用一次頂點着色；

27.頂點着色器自己不知道頂點之間的拓撲關係，也不銷燬或建立頂點；

28.頂點着色器可以並行處理頂點，由於頂點之間相互獨立；

29.頂點着色器主要完成座標變換和逐頂點光照計算；

30.頂點着色器必需要完成的一個工做：把頂點座標從模型空間轉換到齊次裁剪空間，這個空間是視野空間，這個空間也是爲了作裁剪運算的，好比把不在（-1，-1，-1）到（1,1,1）裏的點裁剪掉；

31.術語：歸一化設備座標NDC；

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

33.在NDC單位立方體內進行裁剪時，在視野內的部分保留，於是可能產生新頂點，效果以下：

 

 

34.裁剪是硬件決定的，沒法編程；

35.屏幕映射將圖元的x和y轉換到屏幕座標系下，屏幕映射不處理z，z和映射後的xy合稱窗口座標系；

 

 

36.DX的屏幕座標系原點在左上角（和UE同樣），OpenGL的原點在左下角；

37.通過了幾何階段的屏幕映射的處理，將會傳來關於頂點的額外信息如深度值，法線，視角方向等；

38.光柵化的兩個重要目標：a圖元覆蓋了哪些像素，b計算這些像素的顏色；

39.三角形設置是爲了計算三角形三條邊處在哪些像素上的；

40.三角形遍歷是爲了計算某一個像素是否被一個三角形覆蓋，若是是的話，這些像素稱爲「片元」fragment，這個遍歷過程也稱爲掃描變換；注意片元和像素並不徹底一致；

41.在全部的量上，好比深度、顏色等，爲片元進行插值計算；

42.片元着色器接受三角形遍歷獲得的對頂點插值的結果，輸出是一個或者多個顏色值；

43.片元着色器還可以完成重要的渲染技術如紋理採樣；

44.真正對像素產生影響的階段是逐片元操做；

45.逐片元操做PerFragmentOperations是OpenGL的說法，在DX中稱爲OutputMerger輸出合併階段；

46.逐片元操做a決定每一個片元的可見性，如深度測試等，b將片元和已經儲存在顏色緩衝區的顏色進行合併，或者說混合；

47.逐片元操做是可配置的；

48.逐片元操做的流程：片元》模板測試》深度測試》混合》顏色緩衝區；

49.模板測試是自定義的測試，當一個片元的某個指標值和緩衝區中的此指標值作比較，經過測試的話，就能夠進入下一個測試，沒有經過的話就被捨棄；無論有沒有經過，均可以設置緩衝區中的指標值；

50.深度測試經常用來作先後遮擋的測試，如當前片元的深度比緩衝區中的深度小（靠近屏幕），那麼它就經過測試，並有權利修改緩衝區中的深度指標；

51.經過了全部測試的進入混合操做，若是沒有開啓混合（也就是徹底遮擋的），那麼直接使用該片元的顏色，更新到緩衝區中的顏色值；若是開啓了的話，將緩衝區和本片元的顏色作一個數學運算獲得新值寫入給緩衝區；

52.逐片元操做中的測試每每會被移到更加早的步驟上進行測試，爲了節省計算；深度測試提前作，EarlyZ技術；

53.避免咱們看到光柵化中的圖像，將會進行雙重緩衝，即當下一幀畫面的內容準備好後，才登上屏幕；

54.OpenGL和DX是計算機圖像的API，由APP調用，GL和DX則會去調用顯卡驅動，顯卡驅動真正去調用硬件設備；

55.SL着色語言是用來編寫着色器代碼的，從而避免寫彙編語句，HLSL是DX的着色語言，GLSL是OpenGL的着色語言，CG（C for Graphic）是NVIDIA的着色語言；

56.UnityShader語言和CG、HLSL和GLSL不徹底同樣是着色器語言；

57.CPU和GPU是如何一塊兒工做的？有一個命令緩衝隊列，CPU向其中塞入命令如DrawCall或者改變渲染狀態，而GPU則是從中獲取命令並執行；

58.渲染速度每每快於提交命令的速度，也就是說CPU提交DrawCall數目太多將會致使效率低（複製10000個1kb文件和複製一個10M文件的比喻，即提交大量很小的DrawCall會致使效率低下）；

59.如何減小DrawCall？儘可能讓一次DrawCall作不少活，也就是批處理思想；

60.固定函數流水線也稱爲固定管線，一般指在較舊的GPU上實現的渲染流水線；（只能夠配置而不能夠徹底控制，就好像只能使用開關控制而不能修改佈局的電路）；注：管線是管道線的簡稱，也就是封閉的流水線，沒法徹底操控內部；

61.Shader是GPU流水線上一些課高度編程的階段，最終代碼在GPU上運行，有特定類型的着色器（頂點着色器、片元着色器），利用着色器控制流水線中的渲染細節如頂點着色器進行變換等；