CG着色语言

# CG

# 什么是可编程图形处理单元

Programmable Graphics Processing Unit(GPU)，可编程图形硬件。将数据绘制成图像。GPU具有高并行处理数据的能力，在处理图形数据和复杂算法方面拥有比CPU更高的性能。

GPU与CPU区别

# 发展阶段

20世纪70年代末-1998成为Pre-GPU时期
1998往后的称为现代GPU时期
- 1998年第一代Modern GPU时期
- 1999-2000年第二代Modern GPU时期
- 2001年是第三代Modern GPU时期
- 2002年末-2003年是第四代Modern GPU时期
- 第四代GPU开始全面支持顶点着色器和片元着色器编程

# GPU图形绘制管线

图形绘制管线就是描述GPU渲染流程，即“给定视点，三维物体，光源、照明模式和纹理等元素，如何绘制一幅二维图像”。一般认为计算机图形绘制的整个管线流程包含三个主要阶段：应用程序阶段、几何阶段和光栅阶段。应用阶段主要和CPU、内存打交道，诸如碰撞检查、场景图建立、空间八叉树更新、视锥裁剪等算法都在这个阶段完成，在这个阶段末端将顶点的几何数据（顶点坐标、法向量，纹理坐标，纹理等）通过数据总线传送给图形硬件。几何阶段主要负责顶点坐标变换、光照、投影、裁剪以及屏幕映射，在该阶段末端得到了经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色以及纹理坐标。光栅阶段是基于几何阶段的输出数据，为像素正确配色，以便绘制完整的图像，该阶段进行的是单个像素的操作，每个像素的信息存储在颜色缓冲器中。

# 顶点坐标变换有哪些坐标空间

模型坐标空间（object space）--->世界坐标系空间（world space）--->观察坐标空间（eye space）--->投影坐标空间（Project space）--->屏幕坐标空间（Clip space）

GPU处理流程

# 什么是视锥空间

以相机为原点，由视线方向、视角和远近平面共同组成一个梯形体的三维空间，称之为视锥空间。

视椎空间

# 从视点空间到屏幕空间大致包含哪些步骤

用透视变换矩阵将顶点从视锥体中变换到裁剪空间中的CVV中。（CVV：规范立方体）
在CVV中进行图元裁剪
屏幕映射，将经过前面过程得到的坐标映射到屏幕坐标系中
屏幕坐标加上Z轴就形成了窗口坐标系(视口坐标系)

# 裁剪算法主要包含哪些

为了减少需要绘制的顶点数，而识别指定区域内或者指定区域外图形部分的算法都成为裁剪算法。主要包括：

视域剔除（view frustum culling）
背面剔除（Back-face culling）
遮挡剔除（Occlusing culling）
视口裁剪

# 什么是光栅化？什么是光栅操作？光栅操作包含哪些

光栅化：决定哪些像素会被图元集合所覆盖的过程
光栅操作：是在更新帧缓冲之前，执行最后一系列针对每个片段的操作，计算出每个像素的颜色。光栅操作也成为像素操作
光栅操作包含：
- 消除遮挡面
- 纹理操作，根据像素的纹理坐标查找对应的纹理值
- Blending混色，根据目前已经画好的颜色，与正在计算颜色的透明度混合为两种颜色，作为新的输出颜色。通常称之为alpha混合技术
- flitering将正在计算的某种颜色经过某个flitering后输出。可以理解为经过一种数学运算后得到新的颜色

# GPU存储架构

GPU存储架构

# 什么是Z-buffer和Z值

z-buffer即为深度缓冲depth buffer，存放的是视点到每个像素的距离衡量，成为Z值或者深度值。通过Z-buffer可以判断空间点的遮挡关系。Z值是非线性的，Z值精度不够，两个相距很近的物体会出现随机遮挡的现象，即面闪烁

# 顶点着色器和片元着色器的处理流程

顶点着色器和片元着色器流程

# 片段和像素有什么不同

片段就是所有的三维顶点在光栅化的数据集合，这些数据还没有经过深度值比较，而现实在屏幕上的像素是经过深度值检查的

# CG语言的重要特点有哪些

CG程序的编译不但依赖于宿主程序所使用的三维编程接口，而且依赖于图形硬件环境。被特定的图形硬件环境或API支持的CG语言子集，称为CG Profiles

# CG有哪些数据类型

CG支持7种基本数据类型：

float 32位浮点数，half 16位浮点数，fixed 11位浮点数，int 32位整型数据，bool 布尔型
string 字符串类型 sampler 纹理对象的句柄--sampler,sampler1D,sampler2D,sampler3D,samplerCUBE,samplerRECT
内置向量数据类型，比如 float4， int4， bool4 等等。向量最长为4
内置矩阵数据类型，比如 float 4X4 ，float 3X2 等等，最大支持4X4的矩阵
数组类型，非内置的类型。比如 float a[4] ,float4X4 b[4]
结构类型，比如

  sturct Test
  {
    float4 m={1,1,1,1}
  };

1
2
3
4

绑定语义类型，比如POSITION（位置）、COLOR（颜色）、NORMAL(法向量)，Texcoord(纹理坐标）
接口类型

# CG有哪些操作符

关系操作符

逻辑操作符

数学操作符

位移操作符、Swizzle操作符和条件操作符

# 操作符的优先顺序如下

操作符的优先顺序

# 什么是输入输出与语义

in ,out， inout：表示函数的输入参数的传递方式

in修饰一个形参只用于输入，进入函数体时被初始化，且该形参值的改变不会影响实参的值，这是典型的值传递。

out修饰一个形参只用于输出，进入函数体时并没有被初始化，这种类型的形参一般是一个函数的运行结果。

inout修饰形参既用于输入也用于输出，这是典型的引用传递。
uniform：用于指定变量数据的初始化方式

CG语言将输入数据流分为两类：Varying inputs 和 Uniform inputs。

前者表示数据流输入图元信息的各种组成要素，从应用程序到GPU的数据，除了顶点位置数据，还有顶点的法向量数据，纹理坐标数据等。CG提供了一组语义词来表明参数是由顶点的哪些数据初始化的。

后者表示一些与三维渲染有关的离散信息数据，这些数据通常由应用程序传入，通常不会随图元的信息变化而变化。如材质对光的反射信息，运动矩阵等。
const：用于指定修饰的变量为常量变量

语义是两个处理阶段（顶点程序和片段程序）输入输出数据和寄存器之间的桥梁，同时语义还表示数据的含义，如POSITION一般表示参数中存放的数据是顶点位置。

语义只对两个处理阶段的输入输出数据有意义，也就是说语义只有在入口函数中才有效，在内部函数（一个阶段的内部处理函数，和下个阶段没有数据传递关系）无效，被忽略。
顶点着色程序的输入语义

POSITION：顶点位置坐标（通常在模型空间中），在OpenGL中对应为接受应用程序传递的顶点数据的寄存器。(四元向量)

但DX10之后就推荐使用SV_POSITION作为vertex shader的输出和fragment shader的输入了，注意vertex shader的输入还是使用POSITION！切记

但是DX10以后的代码依旧兼容POSITION作为全程表达，估计编译器会自动判断并替换的吧。

NORMAL：顶点法向量坐标（通常位于模型空间中），在OpenGL中对应位接受应用程序传递的法向量数据的寄存器。（四元向量）

TANGENT、BINORMAL、PSIZE、BLENDWEIGHT、BLENDINDICES、TEXCOORD0、TEXCOORD1、TEXCOORD2、TEXCOORD3、TEXCOORD4、TEXCOORD5、TEXCOORD6、TEXCOORD7。
输入语义
顶点着色程序的输出语义

顶点程序的输出数据被传入到片段程序中，所以顶点着色程序的输出语义词，通常也是片段程序的输入语义词，不过语义词POSITION除外。

POSITION、COLOR0-COLOR1、PSIZE、FOG、TEXCOORD0-TEXCOORD7适用于所有的顶点输出语义和片段输入语义。

顶点着色程序必须申明一个输出变量，并绑定POSITION语义，该变量中的数据将被用于且只能被用于光栅化。如果没有申明一个绑定了POSITION语义词的输出变量，编译会出错。为了保持顶点程序输出语义和片段程序输入语义的一致性，通常使用相同的struct类型数据作为两者之间的传递。
片段程序的输出语义

片段程序的输出语义词比较少，通常只有COLOR。这是因为片段程序运行完毕基本就到了GPU流水线的末端了。片段程序必须申明一个out向量并绑定COLOR语义，这个值将被作为该片段的最终颜色值。
语义绑定方法

入口函数输入输出数据的绑定有4种方法：
- 绑定语义放在函数参数列表的参数申明后面
放在参数申明后面
- 绑定语义词可以放在结构体成员的后面
放在结构体成员后面
- 绑定语义放在函数申明的后面
放在函数的后面
- 将绑定语义放在全局非静态变量申明的后面，这种形式很少用到
在unity中，填充到POSITION,NORMAL这些语义的数据是从哪里来的呢？它们是由使用这个Shader的MeshRender组建提供的。在每帧调用DrawCall时，MeshRender组建会把它负责渲染的模型数据发送给Shader，在Shader中可以通过顶点着色器访问这些数据并做出相应变换处理。