為啥Unity的頂點著色器和片元著色器的執行順序是怎樣的？

在Unity的渲染管線中，頂點著色器和片元著色器是兩個至關重要的階段，分別負責處理模型的頂點數據和光柵化后的像素數據。理解它們的執行順序對于優化渲染性能、實現復雜的視覺效果至關重要。簡單來說，頂點著色器先執行，然后是片元著色器。但為什么是這樣的順序？這背后是基于圖形硬件的架構、渲染流程的邏輯以及性能優化等多方面的考量。

首先，我們必須理解頂點著色器（Vertex Shader）的作用。它的輸入是模型的頂點數據，包括頂點的位置、法線、紋理坐標等。頂點著色器的主要任務是：

1. **模型空間到裁剪空間的轉換：** 將頂點坐標從模型空間轉換到世界空間、觀察空間，最終轉換到裁剪空間。這個過程涉及到矩陣的乘法，包括模型矩陣、觀察矩陣和投影矩陣。裁剪空間是進行裁剪測試的基礎，確保只有在攝像機視野內的頂點才會被渲染。

2. **頂點屬性的計算和傳遞：** 根據需要計算新的頂點屬性，例如修改法線方向，或計算一些自定義的頂點數據，并將這些數據傳遞給后續的片元著色器。這些傳遞的數據通常通過頂點著色器的輸出變量，插值器傳遞給片元著色器。這些插值器會自動根據頂點之間的關系進行線性插值，為每個片元提供平滑過渡的值。

如果沒有頂點著色器，頂點坐標將無法被正確變換到裁剪空間，整個場景將無法正確地呈現在屏幕上。頂點著色器所進行的大部分計算都是相對獨立的，每個頂點可以并行處理。這非常適合GPU的并行處理架構，可以大幅提升渲染效率。

接下來，我們來看片元著色器（Fragment Shader）的作用。片元著色器接收光柵化器（Rasterizer）處理后的數據作為輸入。光柵化器將頂點著色器處理后的頂點連接成三角形，并根據三角形覆蓋的像素生成片元。每個片元對應屏幕上的一個像素，但它攜帶的信息不僅僅是顏色，還包括：

1. **插值后的頂點屬性：** 從頂點著色器傳遞過來的頂點屬性，經過插值后，每個片元都擁有了這些屬性的平滑過渡值。例如，顏色、法線、紋理坐標等。

2. **屏幕坐標：** 片元在屏幕上的位置。

3. **深度值：** 片元的深度值，用于深度測試，決定哪個片元應該被最終顯示在屏幕上。

片元著色器的主要任務是：

1. **計算片元的顏色：** 根據光照模型、紋理采樣、材質屬性等因素，計算片元的最終顏色。這是片元著色器最重要的職責，決定了最終像素的視覺效果。

2. **修改深度值：** 片元著色器可以修改片元的深度值，從而影響深度測試的結果。但這通常會導致性能下降，應該謹慎使用。

3. **丟棄片元：** 片元著色器可以根據某些條件丟棄片元，使其不被渲染。這可以用于實現透明效果或其他特殊效果。

那么，為什么頂點著色器必須在片元著色器之前執行？原因如下：

1. **坐標變換的依賴性：** 片元著色器需要頂點著色器處理后的頂點坐標來進行插值計算。沒有經過頂點著色器的變換，片元無法確定其在三維空間中的位置，也就無法進行正確的光照計算和紋理采樣。想象一下，如果片元著色器先執行，它接收到的將是未經過任何變換的頂點數據，這些數據無法用于生成任何有意義的圖像。

2. **光柵化的前提：** 光柵化過程需要頂點著色器輸出的裁剪空間坐標。光柵化器的任務是將這些頂點連接成三角形，并計算每個像素是否位于三角形內部。如果沒有頂點著色器，光柵化器就無法工作，也就沒有片元生成，自然也就無法執行片元著色器。

3. **性能優化：** 先執行頂點著色器可以進行一些裁剪操作，例如視錐裁剪（Frustum Culling），將位于攝像機視野之外的三角形剔除掉。這樣可以減少需要光柵化的片元數量，從而提高渲染效率。如果在片元著色器階段才進行裁剪，那么大量的片元將會被無謂地處理，浪費計算資源。

4. **插值的正確性：** 頂點屬性的插值需要在已經變換到屏幕空間的頂點之間進行。如果在頂點變換之前進行插值，其結果將是不正確的。例如，法線在模型空間進行插值，然后再進行變換，其結果可能不再是單位向量，從而導致光照計算錯誤。

此外，這種執行順序也與圖形硬件的設計密切相關。GPU的設計目標是盡可能地并行處理大量的頂點和片元。頂點著色器處理的是相對獨立的頂點數據，可以高度并行化。片元著色器處理的是像素數據，也具有很高的并行性。將頂點處理放在前面，可以充分利用GPU的并行計算能力，提高渲染效率。

總結來說，頂點著色器必須在片元著色器之前執行，這是由渲染流程的邏輯、坐標變換的依賴性、光柵化的前提、性能優化的需要以及圖形硬件的設計等多方面因素決定的。理解這種執行順序對于開發者來說至關重要，可以幫助他們更好地優化渲染性能，實現復雜的視覺效果。例如，可以將一些簡單的計算放在頂點著色器中進行，避免在片元著色器中對每個像素都進行重復計算，從而提高渲染效率。同時，也可以根據這種執行順序，設計出更加高效和靈活的著色器程序。

總結

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