由于这本书是英文原版，且年代稍早，我会为您提供一个结合了该书核心思想与现代实践的、系统化的 CG 教程和学习路径，这不仅仅是一本“书”的解读,更是一份从零到一的实战指南。

CG 教程：可编程实时渲染权威指南（实战版）

这份指南将分为以下几个部分：

1. 核心思想：从固定功能到可编程管线
2. 图形渲染管线：你的“Hello World”在哪里？
3. 着色器语言：GLSL vs. HLSL
4. 第一块积木：顶点着色器
5. 魔法发生的地方：片元着色器
6. 现代渲染进阶：从 Shader Model 5 到现代 API
7. 学习资源与实战项目推荐

核心思想：从固定功能到可编程管线

在学习代码之前,必须理解这个根本性的转变。

• 固定功能管线：在早期（如 DirectX 7/8），GPU 内部有固定的处理流程，你告诉 GPU “用这个光源”、“用这个纹理”、“开启这个混合模式”，GPU 就会按照预设的公式去执行，这就像一个只能做特定菜品的厨师，你点菜,他照着菜谱做。

• 可编程管线：从 DirectX 9 / OpenGL 2.0 开始，程序员可以直接编写小程序（即 着色器 - Shader）上传到 GPU，让 GPU 在特定阶段执行这些自定义程序，这就像给了厨师一个完整的厨房和菜谱，你可以让他用任意食材、任意方法创造全新的菜品。

  
  （图片来源网络，侵删）

着色器就是运行在 GPU 上的小程序，它们是可编程管线的灵魂。

图形渲染管线：你的“Hello World”在哪里？

想象一下，你如何告诉 GPU 画一个彩色的三角形？这个过程就是渲染管线，虽然现代管线非常复杂，但其核心阶段与《可编程实时权威指南》中描述的概念一脉相承。

一个简化的可编程管线流程如下：

1. 应用阶段：你的游戏主程序在 CPU 上运行，它负责准备数据：顶点坐标、颜色、纹理坐标、模型变换矩阵等，然后将这些数据发送给 GPU。
2. 几何阶段：
   • 输入装配：GPU 收集 CPU 发来的顶点数据。
   • 顶点着色器：（可编程） 对每个顶点执行一次，它的主要工作是：
     • 坐标变换：将顶点从模型空间 -> 世界空间 -> 观察空间 -> 裁剪空间，这是“画在哪里”的关键。
     • 计算其他属性：如法线、光照等。
   • 曲面细分 & 几何着色器：（可选，更高级）用于增加模型细节或动态生成几何体。
   • 裁剪 & 光栅化：将屏幕外的顶点裁剪掉，然后将三角形“像素化”，确定哪些像素被这个三角形覆盖，并为每个像素生成一个片元。
3. 光栅化阶段：
   • 片元着色器：（可编程） 对每个片元执行一次，它的主要工作是：
     • 纹理采样：根据片元的纹理坐标,从纹理图像中获取颜色。
     • 光照计算：根据光源和法线计算最终颜色。
     • 颜色输出：输出该片元的最终颜色值。
4. 输出合并阶段：将片元着色器输出的颜色与屏幕上已有的颜色进行混合、深度测试等，最终写入帧缓冲区,显示在屏幕上。

你的第一个“Hello World”程序，就是编写一个最简单的顶点着色器，把一个三角形的三个顶点画在屏幕上。

着色器语言：GLSL vs. HLSL

《可编程实时权威指南》主要基于 HLSL (High-Level Shading Language)，它是 DirectX 的一部分，而在跨平台领域，GLSL (OpenGL Shading Language) 是标准。

• HLSL：主要用于 Windows 平台的 DirectX 应用，语法上与 C/C++/C# 更相似。
• GLSL：主要用于跨平台的 OpenGL/Vulkan/Metal 应用，语法上更像 C,但有一些独特的特性。

核心概念几乎完全相同：变量、数据类型（vec3, mat4）、函数、in/out、uniform、attribute/varying（旧版GLSL）等。

现代选择：

• Vulkan / Metal：使用一种名为 SPIR-V 的中间语言，可以由 HLSL 或 GLSL 编译而来,这提供了更好的跨平台兼容性。
• OpenGL：继续使用 GLSL。
• DirectX 12：继续使用 HLSL。

建议：初学者可以先选择一种深入学习，GLSL（配合 OpenGL），因为它在学术和跨平台领域应用更广，理解一种后,另一种的语法转换非常容易。

第一块积木：顶点着色器

顶点着色器是处理单个顶点的“工人”，它的基本任务是位置变换。

一个最简单的 GLSL 顶点着色器示例：

// 声明从应用阶段传入的变量
// 'layout' 指定了顶点属性的位置索引
layout (location = 0) in vec3 aPos; // aPos = 顶点位置
// 声明传递给片元着色器的变量（可选）
// out vec3 ourColor;
// 声明全局的、所有顶点共享的变量（如变换矩阵）
uniform mat4 model;      // 模型矩阵
uniform mat4 view;       // 观察矩阵
uniform mat4 projection; // 投影矩阵
void main()
{
    // 核心计算：将顶点位置从模型空间转换到裁剪空间
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
    // 如果需要，可以传递其他数据给片元着色器
    // ourColor = aColor; 
}

关键点：

• in / in vec3 aPos：输入变量，代表顶点的某个属性（位置、颜色等）。
• uniform：全局常量，对于所有顶点都是相同的，如矩阵、时间、光源位置。
• gl_Position：一个内置的输出变量，必须被赋值,它代表顶点在裁剪空间中的最终位置。
• 矩阵乘法顺序：projection * view * model * vertex，记住矩阵乘法不满足交换律,顺序至关重要。

魔法发生的地方：片元着色器

片元着色器决定屏幕上每个像素最终呈现什么颜色，它是实现光照、纹理、后期效果的核心。

一个简单的 GLSL 片元着色器示例（带颜色）：

// 从顶点着色器接收的数据（需要和 VS 中的 'out' 变量名和类型匹配）
// in vec3 ourColor;
// 声明一个纹理采样器
uniform sampler2D ourTexture;
// 输出变量，最终的颜色值
out vec4 FragColor;
void main()
{
    // 方式1：使用从顶点着色器插值得到的颜色
    // FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
    // 方式2：从纹理中采样颜色（更常见）
    FragColor = texture(ourTexture, vec2(0.5, 0.5)); // 采样纹理的中心点
}

进阶：Phong 光照模型（经典示例）

这是《可编程实时权威指南》中的核心内容之一，片元着色器需要计算环境光、漫反射和镜面反射。

in vec3 FragPos;  // 从顶点着色器传递过来的片元位置（世界坐标）
in vec3 Normal;   // 从顶点着色器传递过来的片元法线
uniform vec3 lightPos;   // 光源位置
uniform vec3 viewPos;    // 观察者位置（摄像机）
uniform vec3 lightColor; // 光源颜色
out vec4 FragColor;
void main()
{
    // 1. 环境光
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
    // 2. 漫反射
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    // 3. 镜面反射
    float specularStrength = 0.5;
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32); // 32是高光系数
    vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;
    // 组合所有光照
    vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0).xyz; // 假设物体是白色的
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

现代渲染进阶：从 Shader Model 5 到现代 API

《可编程实时权威指南》的时代是 DirectX 9/10/11，现在我们已经进入了 DirectX 12, Vulkan, Metal 的时代。

• 可编程管线对象：现代 API（如 DX12, Vulkan）要求你显式地创建和绑定整个管线的状态，包括所有着色器、混合状态、光栅化状态等，这比旧的“设置一个着色器”更底层、更强大,也更复杂。
• GPU Driven Rendering：一种新的渲染范式，利用计算着色器来高效地驱动渲染流程，例如进行大规模的可见性剔除、动态批处理等。
• 物理渲染：基于物理的材质和工作流，着色器需要更精确地模拟光线与材质的交互（微表面模型）。
• Ray Tracing（光线追踪）：通过硬件加速光线追踪，着色器可以编写“光线着色器”，实现全局光照、反射、折射等过去难以实现的效果。

不变的核心：无论 API 如何变化，顶点着色器负责位置变换，片元着色器负责颜色计算这一核心逻辑从未改变，理解了基础,才能驾驭现代的复杂技术。

学习资源与实战项目推荐

1. 书籍（理论基石）：

   • 《Programming Vertex, Geometry, and Pixel Shaders》：必读,深入理解管线和着色器编程。
   • 《Real-Time Rendering, 4th Edition》：实时渲染的“百科全书”，涵盖了从管线到光照、到现代技术的方方面面。
   • 《OpenGL SuperBible》：学习 OpenGL 和 GLSL 的绝佳入门书籍。

2. 在线教程（动手实践）：

   • LearnOpenGL (CN)：强烈推荐！ 从零开始，使用现代 OpenGL（3.3+）和 GLSL，讲解清晰，代码完整，覆盖了所有基础和进阶主题,它的结构几乎就是一份完美的实战教程。
   • Bilibili / YouTube：搜索“OpenGL教程”、“Shader Toy教程”、“HLSL教程”，有大量优秀的视频课程。The Cherno、Sebastian Lague、Johnnysson 等博主的视频质量非常高。

3. 工具与社区：

   • Shader Toy：一个在线的 GLSL 片元着色器“游乐场”，你可以看到别人的炫酷效果，并学习他们的代码,是学习视觉特效的绝佳平台。
   • RenderHub：提供大量高质量的 3D 模型和材质,方便你专注于编写着色器。
   • GitHub：寻找开源的图形学项目,阅读源码是提升最快的方式之一。

4. 实战项目路径：

   • 项目 1：渲染一个彩色三角形：学习设置 OpenGL 上下文，编译和链接着色器,传递顶点数据。
   • 项目 2：加载并显示一个纹理：学习纹理坐标和纹理采样。
   • 项目 3：实现 Phong 光照模型：将上面提到的 Phong 着色器代码应用到你的模型上。
   • 项目 4：实现一个简单的后处理效果：如灰度、反色、模糊等,这需要你将渲染结果作为纹理再次输入。
   • 项目 5：学习并使用 PBR：尝试实现一个基于物理的渲染材质。
   • 项目 6（终极挑战）：实现一个简单的延迟渲染器：这是现代游戏引擎普遍使用的技术，能让你深入理解 G-Buffer 和光照计算。

学习 CG 和可编程实时渲染是一个理论与实践紧密结合的过程，以《可编程实时权威指南》的思想为骨架，以现代教程（如 LearnOpenGL）为血肉，通过不断动手实践，才能真正掌握这门强大的技术,祝你学习顺利！