UnityShader常见术语

OpenGL 和 DirectX

OpenGL 和 DirectX 都是计算机图形和游戏开发中常用的图形渲染接口（API），它们提供了一组工具和规范，允许开发者控制硬件来创建图形和处理多媒体内容。虽然它们的核心功能相似，但它们有不同的历史背景、平台支持和设计哲学。

1. OpenGL（Open Graphics Library）

概述

• 开放标准：OpenGL 是一个跨平台的图形渲染 API，最初由硅图形（SGI）公司于 1992 年开发，现在由非盈利组织 Khronos Group 维护。它是一个开放标准，意味着任何公司或开发者都可以免费使用和实现它。
• 跨平台支持：OpenGL 主要支持跨平台操作系统，如 Windows、Linux、macOS（虽然 Apple 现在推崇 Metal）以及一些移动平台（通过 OpenGL ES）。
• 灵活性：OpenGL 是一个比较低层次的 API，提供了大量的可配置选项，可以允许开发者非常精细地控制图形渲染过程。

优点

• 跨平台：OpenGL 可以在多种操作系统上运行，因此，基于 OpenGL 的应用程序可以更容易地在不同平台间移植。
• 开放性：作为一个开放标准，OpenGL 的文档和规范可以免费访问，且得到了广泛的支持。
• 成熟的社区支持：OpenGL 拥有丰富的教程、开发工具和开源项目，有庞大的开发者社区支持。

缺点

• 性能问题：由于其抽象层较高，OpenGL 相比 DirectX 可能在一些平台上的性能较差。
• 较为复杂：OpenGL 对开发者的要求较高，提供了大量的自由度，这可能会导致开发变得复杂。

应用领域

• OpenGL 主要用于游戏、3D 图形、科学计算（如计算机辅助设计 CAD）、虚拟现实、图像处理等领域。

2. DirectX

概述

• 微软的专有技术：DirectX 是由微软开发并为 Windows 平台量身定制的多媒体接口，首次发布于 1995 年。它包括多个子组件，其中 Direct3D 是专门用于图形渲染的部分，类似于 OpenGL。
• Windows 专用：与 OpenGL 的跨平台支持不同，DirectX 只适用于 Windows 操作系统和 Xbox 游戏机。虽然 DirectX 的某些功能（如 DirectCompute）也能在其他平台上运行，但 Direct3D 主要用于 Windows 平台。

优点

• 优化的性能：由于 DirectX 是专为 Windows 平台设计的，微软能够在操作系统层面对其进行优化，因此它在 Windows 上的性能通常优于 OpenGL。
• 紧密集成：DirectX 与 Windows 操作系统和硬件的集成更为紧密，因此它能够更好地利用 Windows 系统提供的功能和硬件加速。
• 更易上手：与 OpenGL 相比，DirectX 的 API 在一些情况下设计得更加简洁易用，尤其是在开发游戏时，微软为 DirectX 提供了丰富的工具和库，帮助开发者更快上手。

缺点

• 平台限制：DirectX 仅限于 Windows 和 Xbox 系统，这使得它在跨平台开发时受限。虽然通过工具如 Wine 可以在 Linux 上运行 DirectX 应用，但这并不是一个完美的解决方案。
• 封闭性：作为一个专有技术，DirectX 不是开放标准，微软控制着其更新和发展，某些方面的文档和实现并不如 OpenGL 那样透明。

应用领域

• DirectX 是 Windows 上最常用的图形 API，尤其在游戏开发领域。许多 Windows 游戏和基于 Xbox 的游戏都依赖 Direct3D（DirectX 的一部分）来进行图形渲染。

OpenGL vs DirectX 的比较

特性	OpenGL	DirectX
平台支持	跨平台（Windows、Linux、macOS、移动设备等）	主要支持 Windows 和 Xbox
开源与闭源	开源，开发者可以自由使用和修改	封闭，微软控制开发和更新
性能	在跨平台应用中有时不如 DirectX 高效	在 Windows 上经过优化，通常性能更好
API 复杂度	较为复杂，提供更多灵活性和控制	相对较简洁，易于上手
文档和支持	文档和社区支持广泛，跨平台开发社区活跃	主要针对 Windows 平台，文档和工具完善
开发工具支持	可以在多种平台上使用各类开发工具	紧密集成于 Visual Studio 等工具

总结

• OpenGL 适合那些需要跨平台支持的应用程序和开发者，尤其是那些需要灵活控制渲染细节的场景，如学术研究、跨平台游戏开发等。
• DirectX 则更加适合 Windows 平台的开发，尤其是在游戏和图形密集型应用中，由于其对 Windows 系统和硬件的优化，通常提供更高的性能和更好的支持。

对于游戏开发者来说，DirectX 通常是 Windows 游戏开发的首选，而对于跨平台应用或者需要支持多种操作系统的开发者来说，OpenGL（或其衍生的 Vulkan）则可能是更好的选择。

HLSL、GLSL 和Cg

HLSL（High-Level Shading Language）、GLSL（OpenGL Shading Language）和 Cg（C for Graphics）都是用于编写图形着色器（shaders）的编程语言。它们的主要用途是为图形处理单元（GPU）编写程序，以执行特定的图形计算任务，比如渲染、光照、纹理映射等。这些着色器程序会在图形渲染管线中运行，以实现复杂的视觉效果。

下面是这三种语言的详细介绍：

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1. HLSL (High-Level Shading Language)

概述

• HLSL 是微软为 DirectX 提供的着色器语言，用于在 Direct3D 环境中编写着色器程序。
• 它是 高层次的着色器语言，语法类似于 C，且专为 GPU 编程设计。
• 通过 HLSL，开发者可以编写各种类型的着色器，如 顶点着色器、像素着色器、几何着色器、计算着色器 等。

特点

• 平台依赖：HLSL 仅在 Windows 和 Xbox 平台上使用，因为它与 DirectX（特别是 Direct3D）紧密集成。
• 强大的功能：提供了大量的图形编程功能，允许开发者控制渲染管线的各个阶段。
• 语法简洁：类似于 C/C++，这使得它对大多数熟悉 C 语言的程序员更易于上手。

应用场景

• 用于 Windows 和 Xbox 平台的游戏和图形应用开发，特别是 DirectX 环境下的图形渲染编程。

示例（HLSL）

struct PS_INPUT
{
    float4 pos : POSITION;
    float4 color : COLOR;
};

float4 main(PS_INPUT input) : SV_Target
{
    return input.color;  // 输出颜色
}

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2. GLSL (OpenGL Shading Language)

概述

• GLSL 是 OpenGL 使用的着色器语言，设计目的是为 OpenGL 提供一种高效的、与平台无关的图形编程方式。
• 它是与 OpenGL 和 OpenGL ES 配套的，支持顶点着色器、片段着色器（即像素着色器）、几何着色器等类型的着色器。

特点

• 跨平台：GLSL 是 OpenGL 的一部分，因此它可以在支持 OpenGL 的任何平台上运行（如 Windows、Linux、macOS、Android、iOS 等）。
• 灵活性：GLSL 允许开发者编写高效的图形程序，并且它支持现代图形渲染的多种特性，如 计算着色器、光照模型、纹理处理 等。
• 与 OpenGL 紧密结合：GLSL 是 OpenGL 的一部分，它直接操作 OpenGL 渲染管线中的数据，简化了与图形硬件的交互。

应用场景

• 用于所有支持 OpenGL 和 OpenGL ES 的平台，包括桌面、移动设备以及嵌入式系统。

示例（GLSL）

#version 330 core
in vec4 color;
out vec4 FragColor;

void main()
{
    FragColor = color;  // 输出颜色
}

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3. Cg (C for Graphics)

概述

• Cg 是 NVIDIA 开发的图形着色器语言，旨在提供一种跨平台的着色器编程语言，它的语法类似于 C 语言。
• Cg 在设计时参考了 HLSL 和 GLSL，试图结合两者的优点。它在早期广泛用于 OpenGL 和 DirectX 环境中，但近年来逐渐被 HLSL 和 GLSL 取代。
• Cg 提供了丰富的图形编程功能，并且可以生成针对不同平台和图形 API（如 DirectX 和 OpenGL）的代码。

特点

• 跨平台：Cg 最初被设计为可以在多种图形 API（包括 OpenGL 和 DirectX）中使用，因此它有跨平台的优势。
• 工具支持：NVIDIA 提供了 Cg 的编译器和工具，帮助开发者生成优化的着色器代码。
• 已过时：由于 HLSL 和 GLSL 的广泛应用，NVIDIA 已不再积极更新 Cg，目前已经不再作为主流的图形编程语言。

应用场景

• 以前用于开发跨平台的图形应用，特别是在 OpenGL 和 DirectX 环境下。但如今它的使用逐渐减少，开发者更多使用 HLSL 和 GLSL。

示例（Cg）

struct PS_INPUT
{
    float4 pos : POSITION;
    float4 color : COLOR;
};

float4 main(PS_INPUT input) : COLOR
{
    return input.color;  // 输出颜色
}

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比较：HLSL、GLSL、Cg

特性	HLSL	GLSL	Cg
平台支持	主要用于 Windows 和 Xbox（DirectX）	跨平台支持（Windows、Linux、macOS 等）	跨平台支持（OpenGL 和 DirectX）
语言风格	类似 C/C++，语法清晰简洁	类似 C，易于理解，接近硬件编程	类似 C，融合了 HLSL 和 GLSL 的优点
功能性	强大，特别是在 Direct3D 环境下	强大，专为 OpenGL 环境设计	早期强大，但现在逐渐被 HLSL 和 GLSL 取代
主流使用	游戏、图形开发，特别是在 Windows 平台	游戏开发、图形应用，支持广泛平台	过去用于跨平台开发，但现已过时
未来前景	强大且继续更新，尤其在 DirectX 中	广泛使用，特别是在跨平台应用中	已不再更新，逐渐被淘汰

总结

• HLSL：专为 DirectX 环境设计，主要用于 Windows 和 Xbox 游戏开发，性能优化较好，功能强大。
• GLSL：与 OpenGL 紧密集成，支持跨平台应用，适用于桌面、移动和嵌入式平台的图形开发。
• Cg：早期为跨平台图形开发设计，但现在被 HLSL 和 GLSL 取代，逐渐过时。

如今，开发者通常根据所选平台和图形 API 来选择合适的着色器语言：如果是 Windows 和 Xbox 平台，使用 HLSL；如果是跨平台应用，使用 GLSL。Cg 曾经有一定的影响力，但现在已不再是主流选择。对于Unity平台，我们同样可以选择使用哪种语言。在Unity Shader中，我们可以选择使用 “CG/HLSL”或者“GLSL”。带引号是因为Unity里的这些着色语言并不是真正意义上的对应的着色语言，尽管它们的语法几乎一样。以Unity CG为例，你有时会发现有些CG语法在Unity Shader中是不支持的。

Draw Call

Draw Call 是计算机图形学中的一个术语，指的是向图形处理单元（GPU）发出的一次请求，要求它渲染（绘制）一个或多个图形元素（如三角形、纹理、顶点等）。每个 Draw Call 通常代表一次对 GPU 的操作，它告诉 GPU 需要渲染的内容以及如何渲染。

详细解释

在现代的图形渲染中，GPU 执行渲染操作时，会接收来自 CPU 的一系列指令（这些指令包括顶点数据、材质、纹理、光照等信息）。每个 Draw Call 就是这种指令的一个集合，包含了关于如何绘制某个图形的详细信息。通常情况下，一个 Draw Call 可能会涉及到以下内容：

• 顶点数据：比如一个三角形的三个顶点的坐标。
• 纹理数据：图像或纹理应用到图形表面的方式。
• 着色器：控制渲染效果的程序（如顶点着色器和片段着色器）。
• 渲染目标：要渲染到的帧缓冲或图像。

简单的 Draw Call 流程

1. CPU 发出 Draw Call：游戏或应用程序的 CPU 会通过调用 API（如 OpenGL、DirectX 或 Vulkan）发出一个 Draw Call，请求 GPU 渲染指定的几何体。
2. GPU 执行渲染：GPU 会使用这个指令中包含的数据（如顶点、纹理、着色器等），然后渲染出图形。
3. 输出图像：GPU 渲染后的图形会被输出到屏幕或渲染目标（如一个纹理）。

如何优化 Draw Call

优化 Draw Call 的目的是减少每帧中发出的 Draw Call 数量，这可以通过以下方式实现：

1. 合并绘制操作：
   • 批量渲染：将多个物体的渲染合并为一次 Draw Call。例如，多个静态物体可以放入同一个批次，使用相同的材质和纹理来减少 Draw Call。
   • 实例化渲染（Instancing）：当多个物体具有相同的几何体结构但不同的位置、缩放或旋转时，可以使用实例化渲染，将所有实例的绘制合并为一个 Draw Call。这样，只需发送一次 Draw Call，就能渲染多个相同物体。
2. 减少状态切换：
   • GPU 渲染时需要设置各种状态（如纹理、着色器等）。频繁地切换这些状态（例如更换纹理或着色器）会增加开销。优化时，尽量保持状态的一致性，减少不必要的切换。
3. 合并多个小物体：
   • 如果场景中有很多小物体，可以将它们合并成更大的几何体，减少每个物体的独立 Draw Call。
4. 使用合适的渲染 API：
   • 一些现代的渲染 API（如 Vulkan 和 DirectX 12）允许开发者更细粒度地控制 GPU 和 CPU 之间的交互，优化 Draw Call 的发出时机，从而减轻性能负担。

Draw Call 示例

假设我们要渲染一个简单的场景，包含一个立方体和一个球体。每个物体都有自己的纹理和着色器。如果我们分别为每个物体发出一个 Draw Call，那么会有两个 Draw Call：一个用于渲染立方体，另一个用于渲染球体。

• 高效的做法：如果立方体和球体使用相同的材质和纹理，可以将它们合并成一个 Draw Call，通过批量渲染或者实例化渲染来减少 Draw Call 数量。

固定管线渲染

固定管线渲染（Fixed-Function Pipeline Rendering）是指在计算机图形学中，一种由图形 API 提供的预定义的、不可定制的渲染管线，它以固定的顺序执行一系列图形处理步骤。也就是说，渲染过程中的各个步骤已经被硬件或 API 固定下来，开发者无法修改或控制这些步骤的执行顺序或具体实现。

在早期的图形硬件（GPU）中，固定管线渲染是最常用的方式，开发者通过调用图形 API（如 OpenGL 或 DirectX）中的固定功能，来完成图形的渲染任务。这些功能包括光照、纹理映射、颜色混合、裁剪等。

固定管线渲染的工作原理

固定管线渲染通常遵循以下几个主要阶段（顺序可能略有不同，取决于具体的 API 和硬件）：

1. 模型变换（Model Transformation）：
   • 将物体的顶点从物体坐标系变换到世界坐标系。这是通过一个变换矩阵完成的，通常是物体位置、旋转和缩放的组合。
2. 视图变换（View Transformation）：
   • 将物体从世界坐标系变换到观察者的视图坐标系（也叫视图空间或相机坐标系）。这个变换是为了模拟观察者的视角。
3. 投影变换（Projection Transformation）：
   • 将视图空间中的顶点投影到二维视口上（屏幕上的坐标）。常见的投影方式包括透视投影（模拟现实世界的视角）和正交投影（无透视效果，常用于技术绘图或2D应用）。
4. 裁剪（Clipping）：
   • 剔除那些不在视锥体内的物体，这样就避免了绘制不在视野中的物体，提高了渲染效率。
5. 光栅化（Rasterization）：
   • 将三维场景中的几何体（通常是三角形）转换为二维图像的像素或片元。每个像素或片元都会有颜色、深度等属性。
6. 纹理映射（Texture Mapping）：
   • 在光栅化后的片元上应用纹理图像，赋予物体更多的细节和真实感。
7. 光照（Lighting）：
   • 根据物体的表面特性、光源的位置和方向，计算每个片元的光照值。固定管线的光照模型通常比较简单，只有一些基本的光照模型（如环境光、漫反射和镜面反射）。
8. 颜色混合和输出（Blending and Output）：
   • 在最终的颜色输出阶段，应用颜色混合（例如透明度效果）并将最终的像素颜色输出到帧缓冲中，准备显示在屏幕上。

固定管线渲染的特点

1. 不可定制：
   • 固定管线的渲染过程是预定义的，开发者无法控制渲染的每个步骤或添加新的步骤。例如，光照、纹理映射和着色等过程都有固定的实现方式，无法改变。
2. 简单易用：
   • 由于渲染过程已经预定义好，开发者不需要关心复杂的图形编程细节，使用固定管线的开发工作量较少。适合于那些不需要高度自定义渲染的应用场景。
3. 硬件加速：
   • 在早期的图形硬件上，固定管线的操作往往是由硬件直接加速的，这使得渲染过程非常高效和快速。
4. 局限性：
   • 固定管线的局限性在于它的灵活性差。由于所有操作都是固定的，开发者无法根据需要定制或优化渲染管线。例如，光照模型和材质处理等都没有办法像现代的 可编程管线 那样进行自定义。

固定管线渲染的历史和发展

在图形硬件发展早期，所有的图形操作都通过固定管线来完成。随着 GPU 技术的不断进步，特别是可编程 GPU 的出现，渲染管线逐步变得更加灵活和可定制。

• OpenGL 2.x 和 DirectX 9 时代，固定管线仍然是主流，但引入了 着色器（Shader）的概念，使得部分渲染过程（如光照、纹理等）可以通过编程来进行定制，但仍保留了固定管线的部分功能。
• OpenGL 3.x 和 DirectX 10 及之后版本，固定管线逐渐被 可编程管线 取代，允许开发者编写顶点着色器、片段着色器等程序来完全控制渲染过程。这种方式提供了更高的灵活性，但也需要开发者具备更多的图形编程知识。

固定管线与可编程管线的比较

特性	固定管线渲染	可编程管线渲染
灵活性	低，渲染过程不可定制	高，开发者可以自定义顶点着色器、片段着色器等
性能	由于是固定的硬件加速，通常性能较好	更灵活但可能需要更多的优化与调整
开发难度	较低，开发者只需调用 API	较高，开发者需要编写着色器程序
可控性	不可控制，API 完全固定	完全控制渲染管线，可以实现复杂效果
适用场景	简单的渲染任务，较早的硬件或简单应用	需要高自定义的复杂渲染任务，如现代游戏

总结

固定管线渲染 是早期图形硬件和渲染 API 的标准渲染方式，具有简单易用、硬件加速等特点，但缺乏灵活性，无法提供复杂的自定义渲染控制。随着图形硬件和渲染 API 的发展，固定管线逐渐被 可编程管线 替代，使得开发者能够编写着色器程序来完全控制渲染过程，提供了更高的灵活性和功能，适应了现代图形和游戏的需求。如果不是为了对较旧的设备进行兼容，不建议继续使用固定管线的渲染方式。