Unity3D的着色器介绍（一）—软渲染和着色器原理

                  
              由于讲图形渲染这样的东西比较抽象，而且结合三维数学方面的知识比较多，我自己的理解也不一定正确，所以先试写一篇看看。如果有什么意见，请在评论里指出。
           一开始先讲些理论性的东西吧。要讲着色器，我觉得很有必要先说一下着色器是怎样工作的。
在不知道什么是着色器的前提之下，也没有任何的三维引擎的帮助，假如我们需要渲染显示下面一个立方体，我们需要怎样做呢？

            如果只有得到这个立方体的8个顶点的坐标，没有其他任何的条件，我们是无法渲染显示的，因为一个存在于空间中的三维物体，我们从不同的角度去观察，看到的样子是不一样的，比如我们从camera1和camera2两个不同的位置去观察这个cube：

会得到不同的结果：

             这是因为我们我们在不同的角度观察同一个物体时，物体投影在我们的视网膜上的点的位置是不一样的。（由于只是介绍原理， 而不打算在这里介绍一个引擎的写法，所以我只会大概讲一下实现的过程，而具体的算法不在此讨论范围。）

从这里可以得知，渲染一个模型的形状，必要的条件是两个：
1、模型各个点在世界空间的坐标
2、我们观察的角度。





           我们撇开整个模型，只观察由P1、P3、P4组成的三角形，通过一定的算法，我们可以计算出三个点分别投影在Camera1和Camera2上面的坐标。

            
           
        当计算出了这三个点在投影上面的坐标后，基本上我们就可以把模型的位置给渲染出来了，比如P1、P3、P4构成的三角形，我们只需要把它填满红色，就形成了三维物体在我们的眼中的渲染位置了。
由于我们现在所用的多边形渲染方式都是以渲染三角形为基础的，所以我们能渲染一个三角形，就能同理类推，把整个三维模型渲染出来。

一般来说，我们的三维模型都不止是纯颜色的，比如这个立方体我们可以贴上一张汽车的贴图。

            


         还是留意P1、P3、P4组成的三角形。在确定了三个点在投影的位置之后，三角形范围内的像素点应该显示怎样的内容？
这是我们渲染需要考虑的第二个问题。

             


            通常关于贴图类型的显示，我们需要知道这张贴图的某个位置是对应着渲染的三角形的某个位置。这个位置的对应关系，是通过UV坐标来表达的。通过UV坐标，我们就能知道从P1到P3范围的像素点，是从贴图的某个位置到某个位置，然后按照一定的比例缩放，从图片上取得了该像素点应该显示的颜色。

         






                通过上面的2个步骤，我们首先知道了怎样确定模型的点在投影面上的位置，然后知道了怎样确定由点组成的三角形内的每个像素点的颜色。到了这一步，实际上整个三维模型已经被渲染出来了。
最后一个问题是，通过像素点离投影面的距离，求出面之间的叠加关系，这是深度排序的问题，暂时不在这里讨论。
以上整个过程，就是所谓的软渲染。在没有任何三维引擎的帮助下，我们就可以把一个三维模型从一堆数据里面显示出来。
至于三维引擎里面的动画渲染，其实步骤就是如下：




每次进入一帧：
1、清除画布，把上一帧留下的画面清除；
2、求出所有点在投影面的坐标；
3、求出每个像素的颜色值；
4、渲染出来。
结束渲染


              说了这么多软渲染的原理，有些朋友会说，这究竟和着色器有什么关系呢？其实这个过程，正是着色器的工作过程。
一般来说，着色器会分为顶点着色器和片段着色器两个部分。
顶点着色器要做的事情，其实就是第一个步骤，求出各个顶点在投影面的坐标。所以传进去的值需要有顶点的三维坐标，还需要有摄像机的位移旋转矩阵。
片段着色器需要做的事情，就是第二个步骤，通过给出的数据，结合从顶点着色器得到的坐标值，计算出每一个像素点应该显示的颜色值。所以传进去的值，会默认包括了顶点程序的坐标，然后我们给予的贴图信息、颜色信息和UV坐标信息。
片段着色器是针对于每个像素点的，所以片段着色器的输出，就是该像素点应该显示的颜色值。
最后提交给显卡，改变屏幕上的每一个像素点的颜色，得到我们想要的画面。


              于是，我们就可以通过编写顶点着色器程序，通过一定的方式去改变顶点在投影面的坐标，让模型变形；或者通过编写片段着色器程序，让模型表现出来的颜色根据我们的需要而改变。
               了解了着色器的整个工作过程之后，应该会觉得实际上着色器也不是一个非常神秘的东西吧？