3DGS之渲染管线

渲染管线（Rendering Pipeline）是计算机图形学中将三维场景转换为二维屏幕图像的核心流程，涉及CPU与GPU的分工协作。计算机图形学把渲染管线分为三个阶段：应用程序阶段、几何阶段、光栅化阶段。渲染管线的一般流程是：顶点数据的输入、顶点着色器、曲面细分过程、几何着色器、图元组装、裁剪剔除、光栅化、片段着色器以及混合测试。

渲染管线主要包括两个功能：一是将物体3D坐标转变为屏幕空间2D坐标，二是为屏幕每个像素点进行着色。

一、核心阶段划分

1. 应用阶段（Application Stage）

执行主体：CPU， 核心任务：

• 数据加载：将模型（顶点、法线、UV坐标）、纹理、光照等数据从内存传输到显存（VRAM） 。
• 剔除优化：通过视锥体剔除（Frustum Culling）、遮挡剔除（Occlusion Culling）过滤不可见物体，减少GPU负载。
• 设置渲染状态：指定着色器（Shader）、材质参数、混合模式（如Alpha混合）等。
• 调用Draw Call：向GPU发送渲染指令，触发几何阶段处理。

关键优化：通过批处理（Batching）合并多个Draw Call，减少CPU-GPU通信开销。

2. 几何阶段（Geometry Stage）

执行主体：GPU， 核心任务：

• 顶点着色器（Vertex Shader）：
  • 坐标变换：将顶点从模型空间（Model Space）依次转换到世界空间、观察空间、裁剪空间（MVP矩阵）。
  • 逐顶点光照：计算基础光照（如Phong模型），但通常更推荐在片元着色器中完成。
• 曲面细分（Tessellation）：动态增加网格细节（如LOD技术），适用于地形和角色模型。
• 几何着色器（Geometry Shader）：生成或销毁几何体（如将点扩展为四边形），适用于粒子系统。
• 投影与裁剪：将顶点映射到屏幕空间（视口变换），并裁剪超出视锥体的部分。

坐标空间流：模型空间 → 世界空间 → 观察空间 → 裁剪空间 → 屏幕空间。

3. 光栅化阶段（Rasterization Stage）

执行主体：GPU， 核心任务：

• 三角形设置与遍历：将几何阶段的三角形分解为像素（片元），计算插值属性（如颜色、深度）。
• 片元着色器（Fragment Shader）：
  • 纹理采样：根据UV坐标从纹理贴图获取颜色。
  • 光照计算：实现复杂光照模型（如PBR材质、阴影映射）。
• 逐片元操作：
  • 深度测试（Z-Buffering）：筛选可见片元，解决遮挡问题。
  • 模板测试：实现特效（如镜子反射区域限定）。
  • 混合（Blending）：处理半透明物体的颜色叠加（如玻璃、烟雾）。

输出：最终像素数据写入帧缓冲区（Frame Buffer），通过双缓冲技术避免画面撕裂。

二、API实现差异

1. OpenGL

• 管线结构：
  • 顶点处理阶段 → 光栅化阶段。
  • 支持可编程着色器（GLSL），但早期版本仅支持固定管线（Fixed Function Pipeline）。
• 特点：跨平台兼容性强，生态丰富（如GLFW、GLEW）。

2. Direct3D（DirectX）

• 管线结构：
  • 几何阶段（含输入装配、曲面细分） → 光栅化阶段。
  • 使用HLSL语言，与Windows系统深度集成。
• 特点：在Windows平台性能更优，支持高级特效（如光线追踪DXR）。

三、性能瓶颈与优化

1. CPU瓶颈：

   • Draw Call过多：通过静态/动态批处理减少调用次数 。
   • 数据搬运延迟：使用实例化（GPU Instancing）批量处理相同模型 。

2. GPU瓶颈：

   • 顶点处理负载：简化模型或启用LOD（Level of Detail）。
   • 片元处理过载：降低分辨率或启用动态分辨率缩放（Dynamic Resolution）。

3. 内存优化：

   • 压缩纹理（如ASTC、BC7），减少显存占用。
   • 使用稀疏纹理（Sparse Texture）动态加载细节。

四、现代技术演进

1. 可编程管线扩展：

   • 计算着色器（Compute Shader）：支持通用计算（如物理模拟、后处理）。
   • 光线追踪管线：通过DXR/Vulkan RT实现真实全局光照。

2. AI驱动渲染：

   • DLSS/FSR：利用超分辨率技术提升帧率，减少GPU负载。
   • 神经渲染（NeRF）：结合深度学习生成高质量图像，逐步融入实时管线。

详细介绍可参考：渲染管线-快懂百科

总结

渲染管线是计算机图形学的核心基础设施，其发展从固定功能到高度可编程化，逐步实现从离线渲染到实时电影级画质的跨越。开发者需深入理解各阶段原理，结合API特性和优化策略，平衡性能与视觉效果