为啥Unity的顶点着色器和片元着色器的执行顺序是怎样的？

为啥Unity的顶点着色器和片元着色器的执行顺序是怎样的？

在Unity的渲染管线中，顶点着色器和片元着色器是两个至关重要的阶段，分别负责处理模型的顶点数据和光栅化后的像素数据。理解它们的执行顺序对于优化渲染性能、实现复杂的视觉效果至关重要。简单来说，顶点着色器先执行，然后是片元着色器。但为什么是这样的顺序？这背后是基于图形硬件的架构、渲染流程的逻辑以及性能优化等多方面的考量。

首先，我们必须理解顶点着色器（Vertex Shader）的作用。它的输入是模型的顶点数据，包括顶点的位置、法线、纹理坐标等。顶点着色器的主要任务是：

1. **模型空间到裁剪空间的转换：** 将顶点坐标从模型空间转换到世界空间、观察空间，最终转换到裁剪空间。这个过程涉及到矩阵的乘法，包括模型矩阵、观察矩阵和投影矩阵。裁剪空间是进行裁剪测试的基础，确保只有在摄像机视野内的顶点才会被渲染。

2. **顶点属性的计算和传递：** 根据需要计算新的顶点属性，例如修改法线方向，或计算一些自定义的顶点数据，并将这些数据传递给后续的片元着色器。这些传递的数据通常通过顶点着色器的输出变量，插值器传递给片元着色器。这些插值器会自动根据顶点之间的关系进行线性插值，为每个片元提供平滑过渡的值。

如果没有顶点着色器，顶点坐标将无法被正确变换到裁剪空间，整个场景将无法正确地呈现在屏幕上。顶点着色器所进行的大部分计算都是相对独立的，每个顶点可以并行处理。这非常适合GPU的并行处理架构，可以大幅提升渲染效率。

接下来，我们来看片元着色器（Fragment Shader）的作用。片元着色器接收光栅化器（Rasterizer）处理后的数据作为输入。光栅化器将顶点着色器处理后的顶点连接成三角形，并根据三角形覆盖的像素生成片元。每个片元对应屏幕上的一个像素，但它携带的信息不仅仅是颜色，还包括：

1. **插值后的顶点属性：** 从顶点着色器传递过来的顶点属性，经过插值后，每个片元都拥有了这些属性的平滑过渡值。例如，颜色、法线、纹理坐标等。

2. **屏幕坐标：** 片元在屏幕上的位置。

3. **深度值：** 片元的深度值，用于深度测试，决定哪个片元应该被最终显示在屏幕上。

片元着色器的主要任务是：

1. **计算片元的颜色：** 根据光照模型、纹理采样、材质属性等因素，计算片元的最终颜色。这是片元着色器最重要的职责，决定了最终像素的视觉效果。

2. **修改深度值：** 片元着色器可以修改片元的深度值，从而影响深度测试的结果。但这通常会导致性能下降，应该谨慎使用。

3. **丢弃片元：** 片元着色器可以根据某些条件丢弃片元，使其不被渲染。这可以用于实现透明效果或其他特殊效果。

那么，为什么顶点着色器必须在片元着色器之前执行？原因如下：

1. **坐标变换的依赖性：** 片元着色器需要顶点着色器处理后的顶点坐标来进行插值计算。没有经过顶点着色器的变换，片元无法确定其在三维空间中的位置，也就无法进行正确的光照计算和纹理采样。想象一下，如果片元着色器先执行，它接收到的将是未经过任何变换的顶点数据，这些数据无法用于生成任何有意义的图像。

2. **光栅化的前提：** 光栅化过程需要顶点着色器输出的裁剪空间坐标。光栅化器的任务是将这些顶点连接成三角形，并计算每个像素是否位于三角形内部。如果没有顶点着色器，光栅化器就无法工作，也就没有片元生成，自然也就无法执行片元着色器。

3. **性能优化：** 先执行顶点着色器可以进行一些裁剪操作，例如视锥裁剪（Frustum Culling），将位于摄像机视野之外的三角形剔除掉。这样可以减少需要光栅化的片元数量，从而提高渲染效率。如果在片元着色器阶段才进行裁剪，那么大量的片元将会被无谓地处理，浪费计算资源。

4. **插值的正确性：** 顶点属性的插值需要在已经变换到屏幕空间的顶点之间进行。如果在顶点变换之前进行插值，其结果将是不正确的。例如，法线在模型空间进行插值，然后再进行变换，其结果可能不再是单位向量，从而导致光照计算错误。

此外，这种执行顺序也与图形硬件的设计密切相关。GPU的设计目标是尽可能地并行处理大量的顶点和片元。顶点着色器处理的是相对独立的顶点数据，可以高度并行化。片元着色器处理的是像素数据，也具有很高的并行性。将顶点处理放在前面，可以充分利用GPU的并行计算能力，提高渲染效率。

总结来说，顶点着色器必须在片元着色器之前执行，这是由渲染流程的逻辑、坐标变换的依赖性、光栅化的前提、性能优化的需要以及图形硬件的设计等多方面因素决定的。理解这种执行顺序对于开发者来说至关重要，可以帮助他们更好地优化渲染性能，实现复杂的视觉效果。例如，可以将一些简单的计算放在顶点着色器中进行，避免在片元着色器中对每个像素都进行重复计算，从而提高渲染效率。同时，也可以根据这种执行顺序，设计出更加高效和灵活的着色器程序。