渲染流水线

参考书籍《Unity Shader入门精要》

渲染流水线是指将场景中的物体从摄像机视角投射到屏幕上，经过各种处理后最终呈现在屏幕上的过程。
当前，游戏引擎的渲染流水线一般分为三个阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段。另外，游戏引擎还会有一些其他阶段，如屏幕后处理阶段。

应用阶段

准备基本场景数据：
- 物体Transform数据：位置、旋转、缩放。
- 物体网格数据：顶点、法线、切线、UV坐标等。
- 光照数据：光源类型（平行光、点光源、聚光灯、环境光）、光源位置、方向、颜色、阴影（光源可见范围内是否有投射阴影的物体）、阴影参数等（光源序号、阴影强度、级联参数、深度偏移、近平面偏移等）。
- 摄相机数据：位置和方向、远近裁剪平面、正交、透视（FOV）、视口比例和尺寸等。
加速算法、粗粒度剔除：使用算法加速场景物体的裁剪，并将不可见的物体剔除出去。
设置渲染状态、准备渲染参数：设置渲染状态，如深度测试、混合、模板测试、剔除、深度写入等。准备渲染参数，如光照、阴影、雾效、反射等。设置渲染模式：前向渲染、延迟渲染、光照预计算、混合渲染、自定义渲染路径。这一阶段最重要的输出是渲染所需的几何信息，即渲染图元。
调用DrawCall：将顶点数据如位置、颜色、法线、纹理uv坐标等传递给GPU，并调用DrawCall函数进行渲染。

几何阶段

几何阶段负责处理每个渲染图元，进行逐顶点、逐多边形的操作。这一阶段主要任务是将顶点坐标变换到屏幕空间下。

顶点着色器：对每个顶点进行处理，如位置、颜色、法线、纹理坐标等。可以利用这一阶段对顶点位置进行变换实现顶点动画，如布料、水面、旗帜等。但是无论怎么变换，顶点着色器都必须把顶点坐标变换到齐次裁剪空间下，然后由硬件设备进行透视除法，得到归一化的设备坐标。
裁剪：将物体的几何形状处于摄像机视角之外的部分裁剪掉，以节省渲染时间和资源。这一步不可编程，由硬件控制，但可以配置。

屏幕映射：将物体的几何形状从齐次裁剪空间映射到屏幕空间。

光栅化阶段

光栅化阶段负责将渲染图元转化为屏幕上的点、线、面。这一阶段的输出是渲染像素，即“片元”。

三角形设置：几何阶段输出的信息是屏幕坐标下顶点的位置和额外信息（深度值、法线、视角方向等）。三角形设置阶段根据这些信息设置三角网格的边界表示方式。
三角形遍历：这个阶段会检查每个像素是否被一个三角形所覆盖，如果被覆盖，就会生成一个片元。这个过程就叫做三角形遍历，也称扫描变换。
片元着色器：这是一个非常重要的可编程着色器阶段。在DirectX中，它被称为像素着色器，在OpenGL中，它被称为片元着色器。
- 前面光栅化阶段并不会影响屏幕上每个像素的颜色值，而是生成一个片元，每个片元负责存储一个三角形网格是怎样覆盖每个像素的。
- 片元着色器的输入是上一阶段对顶点信息插值得到的结果，它的输出是一个或者多个具体的颜色值。这一阶段是真正上色、贴图的阶段，
- 这一阶段有个比较重要的技术：纹理采样。通常我们会在顶点着色器中输出每个顶点的纹理坐标，然后经过光栅化阶段对三角形网格的3个顶点对应的纹理坐标进行插值后，得到其覆盖的片元的纹理坐标。
逐片元操作：DirectX中称输出合并阶段
- 这一阶段有很多测试操作，如模板测试、深度测试、混合、剔除等。
- 模板测试：GPU读取模板缓冲区中该片元位置的模板值，然后将该值和读取到参考值进行比较，比较函数可由开发者决定。如果比较不通过，及没有通过模板测试，则会丢弃该片元。
- 深度测试：高度可配置。如果开启深度测试，GPU会把该片元的深度值和已经存在于深度缓冲中的深度值进行比较，比较函数可由开发者决定，通常是小于等于。如果比较不通过，即被遮挡，则丢弃该片元。开发者还可以开启/关闭深度写入，比较通过后，则会把该片元的深度值写入深度缓冲区。透明效果和深度测试以及深度写入密切相关。

屏幕后处理阶段

    屏幕后处理是实现游戏中屏幕特效的常见方法。通常指的是在渲染完整个场景得到屏幕图像后，再对这个图像进行一系列的操作，实现各种屏幕特效。可以为游戏画面添加更多的艺术效果，例如景深、运动模糊等。