移动GPU渲染

1  简介

1.1  像素

屏幕是由许多小的方格组成，这就是我们常说的像素，由于方格很小很小，所以看上去像一个“点”。例如屏幕的分辨率为1080p(1920x1080)，则该屏幕的像素的个数为: 1920 x 1080=2,073,600(约2兆个)；一张图像格式为RGBA8888的1080p图像(未压缩)占用内存为：2M x 4byte = 8Mb

1.2  Rendering pipeline（渲染流水线）

图形是按照一定的步骤渲染出来的，下图是一张简易的pipeline流程图，省略了tessellation以及geometry shading两部分，它们只有在必要场合下才会用到，关于这两个部分下次再做介绍。

Fig1.1  Rendering pipeline

其中，VAO是指vertex array object，包含vertex buffer object(VBO)和index buffer object(IBO)。color, depth, stencil三种attachment是绑在framebuffer上的，color attachment可以有多个，depth与stencil attachment最多只能各有一个。

1.3  屏幕上显示的三角形是怎么画出来的

数据buffer----位置点（vertex shading）----拼三角形图元----光栅化----着色（fragment shading）----显示

1.3  渲染模式

桌面端计算机主要考虑性能，并且芯片面积相对于移动设备可以设计得更大；而移动设备需要兼顾多种因素，功耗、性能、芯片面积，考虑到这两种平台的不同特性，GPU的渲染模式主要划分为immediate mode rendering(IMR)和tile based rendering(TBR)，其中IMR主要用于桌面计算机的图形渲染，TBR主要用于移动嵌入式设备的图形渲染。下面将分别介绍这两种模式。

2  IMR

2.1  简介

IMR是指对于每一个draw call，vertex shading做完拼成图元后直接做fragment shading，pipeline不会中断执行。

2.2  IMR的优缺点

2.2.1  优点

架构简单，vertex shading输出的结果经过primitive assembly之后流入fragment shading，这样就不需要额外的内存来存储中间计算结果，并且节省写出、读入的内存带宽。

2.2.2  缺点

每一个draw call执行一次vertex shading和fragment shading，这样如果先渲染距离远的再渲染近的两个二维重叠的物体，先渲染的物体会被后渲染的物体覆盖，就会导致无用的渲染（可以想像两个完全一样的物体，沿着Z方向放在不同的两个位置）。

3  TBR

3.1  简介

TBR是指对于一个FBO, 将其拆成许多小的tile，先执行所有draw call的vertex shading，拼装成相应的图元后，接着对于每一个tile，各用一张链表(polygon list)来记录位于该tile中的图元；然后对于每一个tile中的每一个图元进行光栅化和fragment shading。

3.2  TBR的优缺点

3.2.1  优点

第一，节省带宽，将FBO拆成许多小的tile，然后对每一个tile渲染，这样gpu对于每个tile都有一块片内的memory来保存渲染的结果，片内memory的优势是访问速度快。第二，相对于IMR而言，先将一个FBO内的所有vertex shading做完，这样就可以知道每个draw call画的物体的相对位置，然后可以利用early zs test 和forward pixel kill来kill掉不必要的fragment，少做一些不必要的fragmet shading，从而大大减小GPU的workload，提高性能和降低功耗。

3.2.2  缺点

vertex shading的计算结果需要存到主存里，fragment shading的时候又需要从主存里读回，所以TBR的主要缺点就是需要额外的空间来存储中间结果，并且相对应地也增加了写入和读回的带宽，这样随着模型精细复杂度的增加，缺点会逐渐暴露出来。

4  小结

桌面设备与主要追求性能，所以主要采用IMR渲染模式，而移动设备GPU的带宽、性能、功率要远低于桌面设备，需要兼顾性能与功耗，从而主要采用TBR模式。与IMR的不同之处在于，TBR会先执行一个FBO里面所有draw call的vertex shading，从而可以知道每个draw call渲染物体的相对深度，大大降低overdraw，从而提高性能，降低功耗。