如何理解衬着管线和shader的关系？

liaodan

衬着管线定义的是框架 ，即要做什么事情（what），以及按照什么挨次去做这些事情（sequence）；shader定义的是如何做此中一部门事情（how），这样理解是否准确？

佳宁

简而言之，shader可以认为是渲染管线里面可编程的部分。
GAMES202里面提到的实时渲染管线：


题主认为渲染管线定义的是渲染要做什么事情，以及这些事情的执行顺序；而shader定义的是如何完成其中的着色行为。我认为这是正确的。
下面简要讲一下我的理解。
渲染要做的事情，本质上就是把3D场景转化为2D图片。
那么，在计算机中，3D场景往往是通过存储顶点以及这些顶点的连接方式而达成的。
如何把这些顶点以及连接方式渲染为一张图片，就是渲染管线要做的一系列事情。
那么其中，我们要注意到的是，往往我们存储的是这些顶点的世界坐标；而渲染到屏幕上，我们需要把世界坐标转化为屏幕上的位置，即屏幕坐标。这就需要对顶点进行处理。（具体可以看九、GAMES101_变换）
我们可以自定义处理顶点的方式：
例如，多保存一些顶点相关的信息，例如切线、法线信息，以供下一步使用；
又例如，我们的目的不一定是从相机视角出发看见的图片，而是一张光源视角看见的阴影贴图，那么我们就需要把世界坐标投影到光源（具体可以看四十一、RSM的WebGL实现简析）。
这就是vertex shader，顶点着色器。确实定义的是“how”。
fragment shader，即像素着色器，定义的是如何对屏幕上的像素进行“上色”，即赋予它一个rgb颜色值。通常，我们需要上一步顶点着色器返回的信息，利用一些着色模型，最简单的例如Blinn-Phong着色模型（十一、GAMES101_Shading、纹理、Mipmap与阴影映射），总之返回一个rgb值。
但是当然也可以利用其他的着色模型来上色，甚至加以风格化，例如在原神里就需要渲染一张二次元风格的图片；
另外，有的时候我们不一定需要返回一个色值，而是想要渲染一张广义上的“图片”，这个图片的像素储存的不再是颜色，而是这个点的深度/法线/世界坐标等等信息，这也需要用像素着色器完成。

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一、渲染管线
渲染管线是指将3D模型转化为2D图像的过程，它包括以下几个阶段：
1.几何阶段：将模型的顶点信息进行处理和变换，包括顶点坐标变换、光照计算、裁剪等。
2.光栅化阶段：将几何阶段处理后的模型转化为像素，包括三角形填充、深度测试、模板测试等。
3.像素处理阶段：对光栅化阶段得到的像素进行处理，包括纹理采样、颜色计算、透明度计算等。
二、Shader
Shader是一种程序，它定义了渲染管线中的各个阶段的处理方式。Shader可以控制模型的外观、材质、光照等效果，可以通过编写Shader来实现各种效果，比如阴影、反射、抗锯齿等。
三、渲染管线和Shader的关系
渲染管线和Shader是密不可分的，Shader可以控制渲染管线中的各个阶段的处理方式。在Unity中，Shader可以通过ShaderLab语言编写，ShaderLab语言可以定义Shader的属性、着色器、SubShader、Pass等，并与渲染管线进行交互。在渲染管线的各个阶段中，Shader可以控制顶点的变换、光照计算、纹理采样、颜色计算等，从而实现各种效果。
因此，渲染管线和Shader是密不可分的，它们共同构成了渲染图形的基础。理解渲染管线和Shader的关系，可以帮助我们更好地编写Shader，实现各种效果。

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渲染管线（Rendering Pipeline）和Shader（着色器）是计算机图形学中两个重要的概念，它们是实现图形渲染的核心。本文将从渲染管线和Shader的定义、作用入手，详细阐述它们之间的关系，并结合实例进行说明。


一、渲染管线的定义
渲染管线是指将3D场景中的对象转换成2D图像的一系列过程。在计算机图形学中，渲染管线是一个计算机程序，它将3D场景中的几何形状、纹理、光照等信息转换成2D图像。渲染管线可以分为两个阶段：几何处理阶段和光栅化阶段。
几何处理阶段主要包括：

• 模型变换：将3D物体从模型空间转换到世界空间、视图空间，以便于后续的处理。
  
• 光照计算：计算光源和物体表面之间的交互，确定物体表面的颜色。
  
• 投影变换：将3D物体投影到屏幕平面上，产生2D图像。
  

光栅化阶段主要包括：

• 三角形剖分：将3D物体分割成三角形网格，以便于后续的处理。
  
• 光栅化：将三角形网格转换成像素点，并确定像素点的颜色。
  
• 像素操作：对像素点进行深度测试、模板测试、透明度处理等操作。
  

二、Shader的定义
Shader是一种程序，它在渲染管线中的特定阶段运行。Shader主要用于处理图形渲染中的材质、光照、阴影等效果。Shader可以分为顶点着色器、片元着色器、几何着色器、计算着色器等不同类型。
顶点着色器主要用于处理顶点位置、法线、纹理坐标等信息，将3D物体变换到屏幕空间。
片元着色器主要用于处理像素点的颜色、透明度等信息。
几何着色器主要用于处理几何形状的变换、剖分等操作。
计算着色器主要用于处理通用计算任务，如物理模拟、粒子系统等。
Shader的编程语言主要有GLSL、HLSL、Cg等。Shader的编写需要有一定的图形学基础和计算机编程经验。
三、渲染管线和Shader的关系
渲染管线和Shader是紧密相关的。Shader是渲染管线中的一个重要组成部分，它在渲染管线的特定阶段运行，对图形渲染产生影响。
渲染管线和Shader的关系可以用以下图示表示：




从图中可以看出，Shader被嵌入在渲染管线的不同阶段中，它可以对几何处理阶段和光栅化阶段产生影响。
在几何处理阶段中，顶点着色器可以对物体进行变换，计算出物体在屏幕空间中的位置。几何着色器可以对物体进行剖分，产生新的几何形状。在光栅化阶段中，片元着色器可以对像素点进行颜色计算，计算出像素点的颜色和透明度。
Shader的主要作用是对图形渲染产生影响，它可以实现各种复杂的图形效果，如反射、折射、阴影等。Shader可以通过编写程序实现对图形渲染的控制，使得图形渲染更加真实、自然。
四、实例说明
下面通过实例说明渲染管线和Shader的关系。
例1：实现模型变换
模型变换是渲染管线中的一个重要阶段，它将3D物体从模型空间转换到世界空间、视图空间，以便于后续的处理。
在这个例子中，我们需要实现一个简单的模型变换，将一个立方体沿y轴旋转20度。我们可以使用顶点着色器来实现这个变换，代码如下：

1. #version 330 core
2. layout (location = 0) in vec3 aPos;
3. layout (location = 1) in vec3 aNormal;
4. layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;
6. uniform mat4 model;
7. uniform mat4 view;
8. uniform mat4 projection;
10. void main()
11. {
12.     gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0f);
13. }

复制代码

在这个顶点着色器中，我们定义了三个输入变量：aPos、aNormal、aTexCoord，分别表示顶点的位置、法线、纹理坐标。我们还定义了三个uniform变量：model、view、projection，分别表示模型矩阵、视图矩阵、投影矩阵。在顶点着色器中，我们将顶点的位置乘以模型矩阵、视图矩阵、投影矩阵，计算出顶点在屏幕空间中的位置。
在主程序中，我们可以将模型矩阵设置为旋转矩阵，将立方体沿y轴旋转20度：

1. glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
2. model = glm::rotate(model, glm::radians(20.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));

复制代码

这样就实现了一个简单的模型变换。
例2：实现阴影效果
阴影效果是图形渲染中的一个重要效果，它可以增强图形的真实感。在这个例子中，我们需要实现一个简单的阴影效果，将立方体产生的阴影投射到地面上。
我们可以使用片元着色器来实现这个效果，代码如下：

1. #version 330 core
2. out vec4 FragColor;
4. uniform vec3 lightPos;
5. uniform vec3 objectPos;
6. uniform vec3 groundPos;
7. uniform sampler2D texture0;
8. uniform sampler2D shadowMap;
10. float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
11. {
12.     // perform perspective divide
13.     vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;
14.     // transform to [0,1] range
15.     projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
16.     // get closest depth value from light's perspective (using [0,1] range fragPos

复制代码

今天的讲解就到这里，关注~感谢~

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渲染管线是 铅笔、油画笔、水彩笔、水粉笔。
贴图与色块是 颜料。
模型与镜头是 纸张。
Shader就是用他们画画，
你是写实派、印象派、抽象派、野兽派，就要看你的Shader能力了。