3D数学 学习笔记（6） 图形管道（渲染流水线）

3D数学 学习笔记（6） 图形管道（渲染流水线）

参考书籍：
《3D数学基础：图形与游戏开发》
《Unity Shader 入门精要》
浅墨_毛星云：【《Real-Time Rendering 3rd》 提炼总结】(二) 第二章 · 图形渲染管线 The Graphics Rendering Pipeline

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概念性三个阶段

概念性是指按照渲染流程进行的功能划分提出的。GPU流水线才是硬件真正用于实现这个概念的流水线。

• 应用阶段（Application Stage）：（CPU。输出渲染所需几何信息：渲染图元（点、线、三角面））
• 几何阶段（Geometry Stage）：（GPU。绘制几何相关图元。）
• 光栅化阶段（Rasterizer Stage）：（GPU。决定每个渲染图元哪些像素绘制在屏幕。）

应用阶段

即通过软件实现的阶段。最后输出渲染图元（点线面等）到几何阶段。
划分几个阶段：

1. 把数据加载到显存中：场景信息（相机位置、视锥体、场景物体、光照与雾化、z-缓冲。
2. 设置模型渲染状态：材质（漫反射颜色、高光反射颜色）、纹理、shader等。
3. 调用Draw Call：告诉GPU开始渲染，指向本次需要渲染的图元列表。

超标量体系结构（superscalar）：多个并行处理器同时执行。

硬盘（Hard Disk Drive, HDD） -> 系统内存（Random Access Memory, RAM） -> 显存（Video Random Access Memory, VRAM）。

Draw Call：

几何阶段

决定绘制什么图元、怎么绘制、在哪绘制。最后输出屏幕空间的二维顶点坐标、每个顶点对应的深度值、着色等信息到光栅化阶段。
划分几个阶段：

1. 顶点着色器：顶点空间变化、逐顶点光照。顶点坐标从模型空间转换到其次裁剪空间，接着硬件做透视除法，得到归一化的设备坐标（Normalized Device Coordinates, NDC）。
2. 曲面细分着色器：可选。细分图元。
3. 几何着色器：可选。逐图元着色、产生图元。
4. 投影：正交投影或透视投影。
5. 裁剪：剔除不再屏幕的顶点，添加必要顶点。
6. 屏幕映射：将图元坐标转到屏幕坐标。

光栅化阶段

将上一阶段传来的数据，产生屏幕上的像素，并渲染出最终图像。
划分为几个阶段：

1. 三角形设置：计算三角形表面数据、边界像素坐标等。
2. 三角形遍历（扫面变换）：找到哪些像素在三角形中，生成片元（包含了屏幕坐标、深度信息、顶点信息、法线、纹理坐标等）。
3. 片元着色器（像素着色器）：从顶点着色器输出的数据插值得到颜色值。通过顶点对应的纹理坐标，用纹理采样进行插值，可以得到覆盖片元的纹理坐标。
4. 逐片元操作（输出合并阶段）：决定片元的可见性（模版测试、深度测试），然后将通过测试的片元颜色值和已经在颜色缓冲区的颜色混合（合并）。

模版测试（Stencil Test）

不透明物体可以开启混合操作：

为了避免看到正在光栅化的图元，GPU会使用双重缓冲（Double Buffering）的策略。就是在渲染在背后执行（后置缓冲），渲染好了之后切换另一个缓冲（前置缓冲）内容，保证看到的图像是连续的。

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图形管道伪代码

// 设置场景的视图
setupTheCamera();

// 清除z-缓冲
clearZBuffer();

// 设置光源和雾化
setGlobalLightingAndFog();

// 得到场景视图中可见物体列表
potentiallyVisibleObjectList = highLevelVisibilityDetermination(scene);

// 渲染所有可见物体
for (all objects in potentiallyVisibleObjectList)
{
	// 包尾盒检测，跳过包围盒内不可见物体。执行低级VSD（visible surface determination）检测。
	if (!object.isBoundingVolumeVisible()) continue;

	// 提取或程序化生成几何体
	triMesh = object.getGeometry();

	// 裁切和渲染面
	for (each triangle in the geometry)
	{
		// 转换顶点到裁切空间，执行顶点级光照
		clipSpaceTriangle = transformAndLighting(triangle);

		// 裁切三角形（如果在边界）。
		clippedTriangle = clipToViewVolume(clipSpaceTriangle);
		if (clippedTriangle.isEmpty()) continue;

		// 投影三角形到屏幕空间
		screenSpaceTriangle = clippedTriangle.projectToScreenSpace();

		// 背面剔除
		if (screenSpaceTriangle.isBackFacing()) continue;

		// 光栅化每个三角形
		for (each pixel in the triangle)
		{
			// 跳过在屏幕后面的
			if (pixel is off−screen) continue;

			// 插值颜色，z-缓冲值和纹理映射坐标
			// 执行zbuffering
			if (!zbufferTest()) continue;

			// 执行透明度检测
			if (!alphaTest()) continue;

			// 写入帧缓存和z-缓冲
			writePixel(color, interpolatedZ);
		}
	}
}

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代码和图形API在不同步骤下的关系：

数据流在图形管道的流程：

CPU、OpenGL/DirectX、显卡驱动和GPU之间的关系：

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