概念页
像素着色器
Pixel Shader
像素着色器（OpenGL 里叫片元着色器）对光栅化产生的每个片元运行，用插值后的顶点数据算出颜色，也可以输出不透明度、修改深度或直接丢弃片元。多渲染目标让它一次输出多组数据，催生了延迟着色。它通常只能写自己所在的像素，但能通过 2×2 quad 拿到相邻像素的导数。
输入
- 顶点着色器的输出在三角形上插值后，就成了像素着色器的输入。
- 插值方式由像素着色器指定，通常用透视校正插值：越远的地方，相邻像素之间对应的世界空间距离越大。比如通向地平线的铁轨，越远枕木看起来越密。也可以选择不考虑透视的屏幕空间插值。
- 其他输入：片元的屏幕位置（Shader Model 3.0 起），以及三角形哪一面朝向相机的标志，可以在一个 pass 里给正反面不同材质。
输出
- 片元颜色，可选的不透明度，可选地修改深度。
- 模板值通常不能修改，直接传给合并阶段（DirectX 11.3 起允许修改）。
- 雾和 alpha 测试在 SM 4.0 起从合并阶段移到了像素着色器里。
- 丢弃 (discard)：不输出任何结果。例如自定义裁剪平面，可以自由决定多个裁剪体之间是"与"还是"或"的关系。
多渲染目标 (MRT) 与延迟着色
- 每个片元可以同时输出多组值，写进不同的缓冲区，每个缓冲区叫一个渲染目标，一般是 4 个或 8 个。
- 渲染目标通常尺寸相同；一些架构要求位深甚至数据格式相同。
- 例如一个 pass 同时输出颜色、物体 ID 和世界空间距离。
- 这催生了延迟着色 (Deferred Shading)：第一个 pass 只把每个像素的位置和材质信息存下来，后续 pass 再高效地计算光照和其他效果（RTR4 第 20.1 节）。
限制：通常看不到邻居
像素着色器一般只能写自己所在的位置，也读不到相邻像素刚算出的结果。但这个限制没那么严重：一个 pass 的输出可以在下一个 pass 里任意读取，再用图像处理的方法处理相邻像素（RTR4 第 12.1 节）。
例外：导数和 2×2 quad
- 像素着色器可以拿到任意插值量沿屏幕 x、y 方向每像素的变化量（梯度或导数），这对纹理过滤非常重要，用来判断一个像素覆盖了多少纹理。
- 所有现代 GPU 都把片元按 2×2 的 quad 处理，导数就是同一个 quad 里相邻片元的差值。比如书中例子：左下像素的 v 是 17，右边是 6，上面是 19，那么 dv/dx = 6 − 17 = −11，dv/dy = 19 − 17 = 2。
- 后果一：即使 quad 里有的像素不在三角形内，GPU 也要处理它们，只为了算导数。所以大量细小三角形会浪费像素着色。
- 后果二：在动态流程控制的代码里（if 或者次数不固定的循环）不能取导数，因为 quad 里四个片元必须执行同样的指令，结果才有意义。离线渲染器也有同样的限制。
UAV、原子操作和 ROV
- UAV（无序访问视图，DirectX 11；OpenGL 4.3 叫 SSBO）：可以写入任意位置的缓冲区，所有像素着色器调用共享，执行顺序任意。
- 数据竞争：两个调用同时读同一个值、各自加一、再写回，结果只加了一次。GPU 用专门的原子单元避免这个问题，代价是有的着色器要排队等待。
- ROV（光栅顺序视图，DirectX 11.3）：和 UAV 一样可读写，但保证按正确的顺序访问。比如先画远处的蓝色半透明三角形、再画近处的红色，ROV 能保证混合顺序正确，从而可以在像素着色器里写自己的混合方式，不需要合并阶段。代价是检测到乱序时，调用要停下来等之前的三角形处理完。
在游戏开发中的意义
- 延迟渲染是很多引擎的基础架构，它来自 MRT。
- 在分支里采样纹理时，要用不依赖隐式导数的采样函数，或者把导数先算在分支外面，否则可能出错。
- 小三角形过多不只增加顶点开销，也会因为 2×2 quad 浪费像素着色。
GEA 的视角：像素着色器的调用方式（卷 II 11.4.6.1）
- 名称：OpenGL 叫片元着色器，GEA 认为这个名字更准确，因为它处理的是三角形的片元而不是帧缓冲里的像素；但书中仍沿用更普遍的"像素着色器"。
- 调用频率：可以每个被覆盖的像素调用一次（像素频率），也可以在 MSAA 下每个采样调用一次（采样频率，即超采样）。
- 2×2 quad 与"假调用"：光栅化以 2×2 的 quad 为单位进行，以便算出纹理过滤所需的梯度，所以管线可能为三角形外的像素触发"假的"像素着色器调用。这与本页「例外：导数和 2×2 quad」一致。
- 输入插值方式：属性可以按屏幕空间或透视校正方式插值，也可以设为每图元常量，整个三角形（或整条线）的所有调用拿到同一个值。
- 输出：一个或多个四元向量，通常是一个 RGBA 颜色；配置为多渲染目标 (MRT) 时可输出漫反射与镜面反射率、法线、速度等，构成 G-buffer（见 延迟着色）。
- 保守光栅化：开启后，凡是可能被三角形任何部分覆盖的像素都会调用像素着色器，并告诉它覆盖了多少，由着色器决定是否写入颜色（订正：D3D 并不把"覆盖了多少"传给像素着色器；保守光栅化 Tier 3 只提供布尔型的
SV_InnerCoverage，表示该像素是否被三角形完全覆盖，其余像素只知道"可能部分覆盖"；需要精确覆盖率时要自己在着色器里算。另外 GEA 说"从 DirectX 12 开始"，其实 D3D11.3 也提供保守光栅化。见 MS Learn "Conservative rasterization"。见 硬件光栅化与透视校正插值）。
出处
- realtime_rendering_4ed.pdf 第 3 章 The Graphics Processing Unit
- Game_Engine_Architecture_4th_Edtion_Volume_2_-_Jason_Gregory.pdf
- Jason Gregory《Game Engine Architecture》第 4 版（2026）卷 II 第 11 章 11.4.6.1 节
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