Shader Language

顶点和片段处理器被分离成可编程单元，可编程顶点处理器是一个硬件单元，可以运行顶点程序，而可编程片段处理器则是一个可以运行片段程序的单元。顶点和片段处理器都拥有非常强大的并行计算能力，并且非常擅长于矩阵（不高于 4 阶）计算，片段处理器还可以高速查询纹理信息（目前顶点处理器还不行，这是顶点处理器的一个发展方向）。

如上所述，顶点程序运行在顶点处理器上，片段程序运行在片段处理器上，哪么它们究竟控制了 GPU 渲染的哪个过程。图 8 展示了可编程图形渲染管线。

对比上一章图 3 。中的 GPU 渲染管线，可以看出，顶点着色器控制顶点坐标转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片段着色程序的各自分工： Vertex program 负责顶点坐标变换； Fragment program负责像素颜色计算；前者的输出是后者的输入。

图 9 展示了现阶段可编程图形硬件的输入\输出。输入寄存器存放输入的图元信息；输出寄存器存放处理后的图元信息；纹理 buffer 存放纹理数据，目前大多数的可编程图形硬件只支持片段处理器处理纹理；从外部宿主程序输入的常量放在常量寄存器中；临时寄存器存放着色程序在执行过程中产生的临时数据。

Vertex Shader Program

顶点着色程序从 GPU 前端模块（寄存器）中提取图元信息（顶点位置、法向量、纹理坐标等），并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等操作，最后将计算好的数据传送到指定寄存器中；然后片断着色程序从中获取需要的数据，通常为 “纹理坐标、光照信息等 ” ，并根据这些信息以及从应用程序传递的纹理信息（如果有的话）进行每个片断的颜色计算，最后将处理后的数据送光栅操作模块。图 10 展示了在顶点着色器和像素着色器的数据处理流程。在应用程序中设定的图元信息（顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等）传递到 vertex buffer 中；纹理信息传递到 texture buffer 中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前的顶点程序还不能处理纹理信息，纹理信息只能在片断程序中读入。顶点着色程序与片断着色程序通常是同时存在，相互配合，前者的输出作为后者的输入。不过，也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序，那么只对输入的顶点进行操作，而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。例如，输入一个三角面片，顶点着色程序对其进行 phong 光照计算，只计算三个顶点的光照颜色，而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法（ Gourand 明暗处理或者快速 phong 明暗处理）进行插值，如果图形硬件比较先进，默认的处理算法较好（快速 phong 明暗处理），则效果也会较好；如果图形硬件使用 Gourand 明暗处理算法，则会出现马赫带效应（条带化）。而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算，并且算法由自己编写，不但可控性好，而且可以达到更好的效果。由于 GPU 对数据进行并行处理，所以每个数据都会执行一次 shader 程序程序。即，每个顶点数据都会执行一次顶点程序；每个片段都会执行一次片段程序。

Fragment Shader Program

片断着色程序对每个片断进行独立的颜色计算，最后输出颜色值的就是该片段最终显示的颜色。可以这样说，顶点着色程序主要进行几何方面的运算，而片段着色程序主要针对最终的颜色值进行计算.

片段着色程序还有一个突出的特点是：拥有检索纹理的能力。对于 GPU 而言，纹理等价于数组，这意味着，如果要做通用计算，例如数组排序、字符串检索等，就必须使用到片段着色程序。让顶点着色器也拥有检索纹理的能力，是目前的一个研究方向。

附：什么是片断？片断和像素有什么不一样？所谓片断就是所有的三维顶点在光栅化之后的数据集合，这些数据还没有经过深度值比较，而屏幕显示的像素都是经过深度比较的