Unity 是一款跨平臺的 3D 引擎，有著強大的渲染功能，並主要用於遊戲開發。

談到 Unity 的渲染功能，我們不得不提及到著色器（Shader）——3D 遊戲引擎中最重要的一個因素­,它在遊戲效果以及畫面顯示方面起到了決定性的作用。Shader 程式設計也屬於計算機圖形學中一個重要的部分。

接下來讓我們從可程式設計渲染管線來了解 Shader 程式設計。

渲染管線模型

3D 遊戲以及 3D 模型通過渲染管線來渲染到 2D 的螢幕上。渲染管線的流程是在 GPU 中進行的，它主要佔有計算機的視訊記憶體部分。渲染管線在這個過程中進行了頂點處理、面處理、光柵化、畫素處理。

1）頂點處理

大多數接觸過 3D 圖形的人都知道3D 模型是通過眾多點構成的面而展現出來的。

頂點處理，是通過一系列座標系的變換，讓各個頂點通過一定的規律在攝像機前位移，最終在螢幕上對應這些頂點的過程。

首先，物體的各個頂點從自身座標系，通過世界變換矩陣處理轉換到世界座標系，再通過取景變換矩陣變換到觀察者座標系，最後通過投影變換，將頂點轉移到螢幕座標系。

有一點大家會經常忘記，在觀察者座標系轉換到投影座標系的過程中，GPU（圖形處理單元）還對材質屬性和光照屬性進行了處理。

2）面處理

三點成一面。面處理有三個部分：面的組裝、面的擷取、面的剔除。

面的組裝：模型中的三個點會組成一個三角形的面（非任意點，因為每個點都有自己的編號）。這些面，面面相接，組成了我們能看到的模型。

面的擷取：由於攝像機和人眼一樣，可視的區域是一個錐形，模型在攝像機可視範圍內可能並不是全覆蓋，也就是在攝像機外，這些在攝像機之內的部分就會被擷取。

面的剔除：為了模擬肉眼，攝像機前的物體會出現近大遠小的現象，那麼物體和物體之間會有遮擋，被遮擋的面會被剔除不處理；每個面都有法向量，所以只有在面的法向量和攝像機散射向量夾角大於90度的才會被攝像機捕捉到。

3）光柵化

光柵化，又稱之合併階段。它的主要功能是將面轉換成一幀中的畫素集合。

這一階段是不可以程式設計的，它負責執行多個片段測試，包括：深度測試、alpha 測試和模板測試，程式設計師可以通過高度配置來實現想要的效果。如果通過了所有的測試，這部分顏色就會與幀緩衝儲存的顏色通過 alpha 混合函式進行合併。

4）畫素處理

這個階段將畫素區域著色，然後賦予貼圖。

（左上為3D網格模型，左下為賦予貼圖後的3D模型，右圖為貼圖）

Shader 詳解

介紹完GPU 渲染管線之後，我們再來簡單瞭解一下可程式設計著色器 Shader —— 圖形渲染裡最有趣的部分。Shader 能讓渲染的圖形展示出水面效果、火焰的熱流效果、角色的虛化效果等視覺效果。

著色器可分為頂點著色器（VertexShader）、幾何著色器（Geometry Shader）和畫素著色器（Pixel Shader）。它們從輸入的資料中取得一個元素，通過程式計算，變換為輸出資料的一個或多個元素。

頂點著色器輸入源為頂點，頂點包含其在自身座標系或世界座標系的位置和向量資訊，而輸出源為已通過變換和照明處理的頂點，包含其投影座標系的資訊。

幾何著色器的輸入源為一個有 n 個頂點的幾何圖元以及最多 n 個作為控制點的額外頂點，輸出源則變成 0 或多個圖元。根據效果需要，這些圖元的可能和輸入的時候不同。

畫素著色器輸入為頂點間的片段，這些片段所包含的資訊來自於對三角形頂點資訊的插值，輸出成將要寫到幀緩衝裡的顏色。

結語

在遊戲中，絢麗的場景和角色是怎麼來的呢？ 很簡單，紋理資料以紋理座標（UV 座標）定址的，而並非記憶體地址。通過著色器我們可以直接讀取紋理貼圖。

模型的頂點和紋理內的 UV 座標一一對應，這樣，紋理就以一定的規則貼在了模型上。

以上就是對渲染管線的簡單介紹，關於著色器語法且待下回分解。

本文作者：吳思淇（點融黑幫）， 現就職於點融Social team，一個熱愛遊戲設計的web 前端程式猿一枚。