什么是片元着色器？

片元着色器（Fragment Shader），又称为像素着色器（Pixel Shader），是图形渲染管线中一个至关重要的高度可编程阶段。它在顶点着色器之后运行，其核心任务是计算并输出屏幕上每个“片元（Fragment）”的最终颜色。

简单来说，如果说顶点着色器的工作是确定一个图形应该在屏幕的哪个位置，那么片元着色器的工作就是决定构成这个图形的每一个像素应该是什么颜色。

片元着色器在渲染流程中的位置

1. 顶点着色器: 首先处理模型的各个顶点，完成坐标变换。
2. 图元装配: 将变换后的顶点连接成基本图形（如三角形、线段）。
3. 光栅化 (Rasterization): 将这些矢量图形转化为像素级别的“片元”。一个片元可以理解为一个“潜在的像素”，它包含了位置、深度、插值后的颜色和纹理坐标等信息。
4. 片元着色器: 这是渲染管线的核心着色阶段。光栅化产生的每一个片元，都会被输入到片元着色器中进行处理。 片元着色器会为这一个片元计算出最终的颜色值。
5. 逐片元操作: 片元着色器输出颜色后，还会经过深度测试、模板测试和颜色混合等操作，最终写入帧缓冲区，显示在屏幕上。

片元着色器的主要作用

• 计算最终颜色: 这是片元着色器最根本的任务。它可以输出一个纯色，也可以基于复杂的计算（如光照）来决定颜色。
• 纹理采样: 通过从纹理（可以理解为贴图）中提取颜色信息，将其应用到模型表面，从而让物体看起来有细节和质感。
• 光照计算: 通过接收从顶点着色器传来的法线、光源位置、光照颜色等信息，执行光照模型算法（如冯氏光照模型），计算出片元受光照影响后的明暗效果，从而产生立体感和真实感。
• 实现各种视觉效果: 开发者可以通过编写自定义的片元着色器代码，实现各种高级视觉效果，例如滤镜、水波纹、火焰、卡通渲染等。

片元着色器的输入与输出

• 输入:

  • Varying 变量 (可变变量): 从顶点着色器传递过来的、经过光栅化阶段线性插值的数据。例如，如果一个三角形的三个顶点颜色不同，那么三角形内部每个片元的颜色就是这三个顶点颜色插值后的结果。
  • Uniform 变量 (统一变量): 对于同一批次渲染的所有片元都保持不变的全局变量，通常用来传递纹理、光照参数、时间等。
  • 采样器 (Samplers): 一种特殊的uniform变量，用于访问和采样纹理数据。

• 输出:

  • 颜色值 (Color): 片元着色器必须输出一个四分量向量（vec4），代表该片元的红®、绿(G)、蓝(B)和透明度(A)值。 这个颜色值最终会被用于屏幕上对应像素的着色。

总结

片元着色器是现代实时图形渲染技术的核心，它为开发者提供了对最终图像像素级别颜色的强大控制能力。正是因为有了可编程的片元着色器，我们才能在游戏和各种图形应用中看到逼真的光影、丰富的材质和炫酷的视觉特效。