Shader從入門到跑路：顏色自定義輸出、紋理取樣

前言

我們來加深一下目前理解到的內容，並且著手解決一些在學習過程中遇到的疑惑（如果有疑惑但我沒提到歡迎在評論留下我會隨後加上）。

首先，以往我們寫程式是在CPU上跑，但寫shader則是在GPU上跑，我們會用兩對好兄弟，分別是vertex shader和fragment shader。

vertex shader是每個頂點都會呼叫一次的程式，它可以訪問頂點的位置、法線、紋理等資訊，這些值在經過一些處理之後，會先跑一個叫做“光柵化（Rasterization）”的過程。我們都知道，顯示器是由紅綠藍 LED 組成的顯示單元，因此單元之間是離散的，而“連續”的三維影像要渲染到螢幕上，就要經過一系列的修改，稱之為光柵化。

此時得到就是片元（fragment），我之前說過片元與最終的影像單位是非常接近的（我甚至鼓勵大家以圖形的方式來理解它們實在是抱歉），但它們之間仍存在著微妙的差別。這是因為片元需要先通過一些測試，比如深度測試、透明度測試等，以決定它們是需要被使用還是被拋棄。其實在這裡並不需要太糾結片元到底是不是畫素，因為這不是這個系列的重點。

而由每個片元分別呼叫一次的就是fragment shader，它可以獲取片元的二維、深度、顏色等資訊。注意，fragment shader獲取的片元顏色是根據片元的三個頂點顏色插值計算後得到的，也就是說如果三個頂點顏色並不相同，那麼最終顏色便是漸變的。

shader的計算是在CGPROGRAM內完成的，並且應該符合以下結構


注意，在結構體內定義的輸入輸出是由語義限定的，舉個例子：


語義是很聰明的一種設計，它能夠讓Shader知道從哪裡獲取資料，並且還知道把輸出的資料放到哪裡（或者怎麼放）

問題1：頂點位置是一種座標系，uv也是一種座標系，既然都是座標為什麼不能只算一個多方便啊？

好問題！（拍大腿）這兩種座標系的應用是不一樣的，頂點是一個和網格（mesh）相關的區域性點，以xyz為座標軸；而uv則是貼圖對映到模型表面的依據，以uvw為座標軸，或者可以將uv看作一張紋理查詢表格。因為xyz軸已經被網格佔用了，所以貼圖用的座標軸就只能用uvw了，簡稱uv。很多同學看了一些shader教程經常見到它們兩一齊出現，自己寫的時候不知所以索性就一齊計算了。


問題2：有些shader程式的frag函式輸出的COLOR，而另一些則是SV_TARGET，有什麼區別啊？

沒啥不同，SV開頭的是Direct3D定義的一種System Value語義，SV_TARGET對應的就是COlOR，但有些平臺支援SV語義，而有些則不支援。但這並不重要，因為編譯器會自動幫我們做轉換，它們兩的功能是一樣的。類似還有SV_POSITION與POSITION，SV_DEPTH與DEPTH等等。反正無腦寫SV_Target就沒錯了（狗頭）

自我小測：

在寫過一些shader之後，我們已經是個shader程式設計師了，當然要學會自己寫shader咯，下面是一些可以努力的方向，並獲取圖中的渲染效果（因為是讀者自我測驗，因此筆者不會提供答案，但如果實在想不明白可以私信筆者問思路）

練習1 ： 新增一個_Color屬性，並將其與主紋理的顏色相乘


注：顏色在屬性區塊內是以Color型別存在，在CGPROGRAM使用內需被預定義為float4型別

練習2 ： 用第二章講到，用uv值計算顏色值的方法，將其結果與主紋理的顏色想乘，獲得下面的效果


練習3 ： 使用兩張紋理，以及第五章講到的拖動條，當移動滑桿時在兩張紋理中進行插值


練習4 ： 在圖片的設定皮膚內將圖片的wrap mode設為repeat。在對紋理取樣時，將uv乘2


練習5 ： 使用明亮度（luminance）公式來算出一個明亮度值，然後將紅綠藍通道都設定為明亮度值，透明度通道則用對圖片取樣獲得的透明度，最終獲得灰度效果


注： luminance = 0.2125 * Red + 0.07154 * Green + 0.0721 * Blue

練習6 ： 將練習5的返回顏色與自定義的顏色屬性相乘



相關閱讀：
Shader從入門到跑路：樸實無華的圖形學基礎
Shader從入門到跑路：自定義紋理輸入
Shader從入門到跑路：螢幕後處理效果
Shader從入門到跑路：實作螢幕扭曲效果

作者：俊銘
專欄地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/86192364