最近項(xiàng)目需求接觸到了Shader，而Shader也是出了名的不好學(xué)遮晚，我便以此筆記來記錄一下學(xué)習(xí)過程性昭，若有可能，也希望對(duì)迷茫中的新手有些幫助县遣。PS：因?yàn)槭菍W(xué)習(xí)筆記糜颠，自然是想到什么記什么，過程不免有些流水賬萧求，還望見諒其兴。
學(xué)習(xí)一樣新東西，先要知道它是什么夸政，為什么要用它元旬，那么就先來了解一下Shader是什么？為什么要用Shader守问？
先來看看萬能的Wiki是怎么說的
著色器（英語(yǔ)：shader）應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域匀归，指一組供計(jì)算機(jī)圖形資源在執(zhí)行渲染任務(wù)時(shí)使用的指令，用于計(jì)算圖像的顏色或明暗耗帕。但近來穆端，它也能用于處理一些特殊效果，或者視頻后處理仿便。通俗地說体啰，著色器告訴電腦如何用特有的一種方法去繪制物體。程序員將著色器應(yīng)用于圖形處理器（GPU）的可編程流水線嗽仪，來實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)用程序荒勇。這樣的圖形處理器有別于傳統(tǒng)的固定流水線處理器，為GPU編程帶來更高的靈活性和適應(yīng)性钦幔。以前固有的流水線只能進(jìn)行一些幾何變換和像素灰度計(jì)算。現(xiàn)在可編程流水線還能處理所有像素常柄、頂點(diǎn)鲤氢、紋理的位置、色調(diào)西潘、飽和度卷玉、明度、對(duì)比度并實(shí)時(shí)地繪制圖像喷市。著色器還能產(chǎn)生如模糊相种、高光、有體積光源品姓、失焦寝并、卡通渲染箫措、色調(diào)分離、畸變衬潦、凹凸貼圖斤蔓、邊緣檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等效果
看著有些抽象镀岛，再看看另一篇文章是怎么說的
Shader（著色器）實(shí)際上就是一小段程序弦牡，它負(fù)責(zé)將輸入的Mesh（網(wǎng)格）以指定的方式和輸入的貼圖或者顏色等組合作用，然后輸出漂羊。繪圖單元可以依據(jù)這個(gè)輸出來將圖像繪制到屏幕上驾锰。(參考1)
OK，結(jié)合兩者整理下大概能知道Shader是一個(gè)能處理圖像輸入并輸出提供給GPU進(jìn)行繪制的腳本程序走越。
那么為什么會(huì)出現(xiàn)Shader這東西呢椭豫，我繼續(xù)往下深入，還是先看Wiki
從技術(shù)的角度來看买喧，著色器是渲染器的一個(gè)部分捻悯，它負(fù)責(zé)計(jì)算目標(biāo)的顏色。隨著圖形處理單元的進(jìn)步淤毛，主要的圖形軟件庫(kù)今缚，像OpenGL和Direct3D都開始將目光投向更高階的功能，即用著色器給新型的GPU編程低淡，這就需要開發(fā)一系列的應(yīng)用程序接口（API）滿足著色功能姓言。這樣的改動(dòng)出現(xiàn)在OpenGL的1.5版本和Direct3D的8版本。
渲染器蔗蹋？OpenGL何荚？Direct3D？看著這些陌生又熟悉的名詞我的大腦一陣顫抖猪杭，硬著頭皮繼續(xù)谷歌...
渲染（英語(yǔ)：render餐塘，或稱“繪制”）在電腦繪圖中，是指：用軟件從模型生成圖像的過程皂吮。模型是用語(yǔ)言或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格定義的三維物體或虛擬場(chǎng)景的描述戒傻，它包括幾何、視點(diǎn)蜂筹、紋理需纳、照明和陰影等信息。圖像是數(shù)字圖像或者位圖圖像艺挪。渲染用于描述：計(jì)算視頻編輯軟件中的效果不翩，以生成最終視頻的輸出過程。
哦哦哦哦哦！渲染器就是Renderer嘛口蝠！這個(gè)我在Unity菜單里面見過器钟，好吧其實(shí)我也沒什么概念，按照Wiki上面的解釋來看亚皂，我們平時(shí)說的3D模型其實(shí)是一個(gè)3D物體或者3D場(chǎng)景按照一定約束描述的集合俱箱，這個(gè)集合中包含了一些信息，而渲染器讀取這些信息后就會(huì)把這個(gè)物體或者場(chǎng)景還原出來并繪制成我們能看到的畫面灭必，說得更簡(jiǎn)單一些狞谱，渲染器就像是一個(gè)畫家，把我們需要畫的東西的信息告訴他禁漓，他就能幫我們畫出來跟衅。
而渲染又有預(yù)渲染（Pre-rendering）和實(shí)時(shí)渲染（Real-time rendering），預(yù)渲染就是計(jì)算機(jī)以CPU為主進(jìn)行渲染播歼，顯示效果好但是畫出來比較耗時(shí)伶跷，實(shí)時(shí)渲染是以GPU為主，效果較差但勝在畫的快秘狞，于是就能理解為什么在游戲中提到都是說實(shí)時(shí)渲染叭莫，而聽到做設(shè)計(jì)的朋友整天抱怨渲染等很久是因?yàn)橛玫氖桥c渲染了。
然后又把OpenGL和Direct3D給谷歌了一番烁试，這倆貨都是繪圖API雇初，區(qū)別就是OpenGL是開源的，用在多個(gè)平臺(tái)减响，Direct3D是必源的靖诗，并且僅用于Windows平臺(tái)，他們針對(duì)Shader都有自己的一套GPU編程語(yǔ)言支示，OpenGL對(duì)應(yīng)的是GLSL（OpenGLShading Language刊橘，也叫GLslang） ，Direct3D對(duì)應(yīng)的是HLSL（High Level ShadingLanguage）颂鸿，除了它們兩個(gè)外還有一個(gè)著名卡商N(yùn)VIDIA的GPU編程語(yǔ)言Cg（C for graphic）促绵，三者算是流行三巨頭了
解決了這幾個(gè)看著頭大的名詞，我接著往下看看為什么會(huì)出現(xiàn)需要Shader的情況嘴纺，首先是一張固定的硬件的渲染流水線圖
這張圖描述的是GPU層的渲染的流程败晴，可以看到有個(gè)片段的著色，如果我們需要高效的去實(shí)現(xiàn)一些成像的變換操作颖医，那么比如成像之后再改變位衩，顯然在這里處理是最效率的裆蒸，于是就有了把著色模塊變?yōu)榭删幊袒男枨笕巯簦鶕?jù)之前所了解到的信息，Shader編程本質(zhì)上就是對(duì)可編程化的著色器進(jìn)行編程，那么再來看看可編程化后的渲染流水線圖佛致，
我們可以看到可編程的部分有兩個(gè)贮缕，一個(gè)是針對(duì)頂點(diǎn)，一個(gè)是針對(duì)片斷（圖上稱為片段俺榆，查了下英文原文為Fragment感昼，故還是用片斷來稱呼），頂點(diǎn)比較好理解罐脊，一個(gè)模型定嗓，會(huì)存在很多頂點(diǎn)，這些頂點(diǎn)通過連接形成線萍桌，一組封閉的線組成面宵溅，許許多多的面組成最后我們看到的模型，而變換頂點(diǎn)可以在一定程度上改變模型的形成效果上炎，舉個(gè)栗子恃逻，
我們看到一個(gè)正方形，如果把四個(gè)頂點(diǎn)的位置進(jìn)行不同程度的便宜藕施，那么正方形就會(huì)變成一個(gè)梯形寇损，視覺上就有一種類似透視的效果
擴(kuò)展想一下，變換的頂點(diǎn)數(shù)更多的情況裳食，甚至可以形成凹凸面等效果矛市，看到這里我忽然發(fā)現(xiàn)，雖然這玩意叫著色器胞谈，但實(shí)際上能做的事情不僅僅是著色尘盼，還兼職了包括坐標(biāo)位置在內(nèi)的一些工作，拿著跟別人一樣的工資烦绳，做了其他人幾倍的工作卿捎。
而另一個(gè)片斷著色器的片斷一眼看不出個(gè)所以然，于是來看看Wiki上的說明
像素著色器(Direct3D)径密，常常又稱為片斷著色器(OpenGL)午阵，處理來自光柵化器的數(shù)據(jù)。光柵化器已經(jīng)將多邊形填滿并通過流水線傳送至像素著色器享扔，后者逐像素計(jì)算顏色底桂。像素著色器常用來處理場(chǎng)景光照和與之相關(guān)的效果，如凸凹紋理映射和調(diào)色惧眠。名稱片斷著色器似乎更為準(zhǔn)確籽懦，因?yàn)閷?duì)于著色器的調(diào)用和屏幕上像素的顯示并非一一對(duì)應(yīng)。舉個(gè)例子氛魁，對(duì)于一個(gè)像素暮顺，片斷著色器可能會(huì)被調(diào)用若干次來決定它最終的顏色厅篓，那些被遮擋的物體也會(huì)被計(jì)算，直到最后的深度緩沖才將各物體前后排序捶码。
像素著色引擎（Pixel Shader）是以每像素（Pixel）為單位的圖形處理功能羽氮。像素著色引擎不是最迫切需要的，擁有較低的優(yōu)先權(quán)惫恼，當(dāng)頂點(diǎn)著色引擎負(fù)荷大時(shí)档押，像素著色引擎可能被閑置著。大多數(shù)情況下祈纯，可使用頂點(diǎn)著色法代替像素著色法令宿。Direct3D 9.0 擴(kuò)充像素著色引擎，有多達(dá)1536個(gè)指令腕窥。
emmmmmm...大概意思應(yīng)該是針對(duì)像素來進(jìn)行著色掀淘，但是可以被頂點(diǎn)著色器以某種算法取代，但是要展現(xiàn)出更好的效果油昂，則需要它來處理每一個(gè)像素革娄，比如有一個(gè)面，會(huì)先對(duì)這個(gè)面的像素點(diǎn)顏色進(jìn)行計(jì)算冕碟，然后如果這個(gè)面被光照著了拦惋，那么就再計(jì)算被光照后的像素點(diǎn)顏色，這樣調(diào)用兩次片斷著色器安寺，就算出最終這個(gè)像素點(diǎn)的成像顏色厕妖。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況肯定會(huì)更復(fù)雜挑庶，不過通過這兩段說明大致上已經(jīng)了解片斷著色器是做什么的了言秸。
而時(shí)代在進(jìn)步，科技在升華迎捺，為了應(yīng)對(duì)一些新的需要举畸，展現(xiàn)出更好的畫面，現(xiàn)在的渲染流水線中已經(jīng)增加了更加細(xì)分的著色器凳枝，比如可以從幾何面中增刪頂點(diǎn)的幾何著色器（Geometry shaders）抄沮，Direct3D 11新增用來處理表面細(xì)分的曲面細(xì)分表面著色器（Tessellation shaders）
看了這么多，也大概了解了Shader是什么岖瑰，以及為什么要用Shader了叛买，下一篇就從代碼入手開始學(xué)習(xí)。
PS：由于本人沒有學(xué)過計(jì)算機(jī)圖形相關(guān)專業(yè)課程蹋订，若有理解不準(zhǔn)確的地方還望指正m(_? _)m
參考：
貓都能學(xué)會(huì)的Unity3D Shader入門指南（一）
