图形1.1 渲染流水线

渲染流水线

 

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渲染阶段

 

• 应用阶段（Application Stage）：应用阶段由cpu负责。决定传递给gpu的数据

• 几何阶段（Geometry Stage）: 上个阶段传递过来的图元进行逐顶点、逐多边形的操作。把顶点坐标转换到屏幕空间，并决定传给光栅器处理的数据

• 光栅化阶段（Rasterizer Stage）：光栅化阶段由gpu负责。决定哪些像素应该被绘制在屏幕上并计算对应像素的颜色。

 

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CPU与GPU的通信

 

cpu在与gpu的通信中，需要把数据加载到显存，设置好渲染状态，然后调用DrawCall。

加载数据：这些数据包括网格纹理、顶点颜色法线纹理等。

渲染状态：决定使用哪个着色器、光源属性、材质来渲染，所有的网格使用一种渲染状态。

DrawCall：一个发起绘制命令的函数，由cpu发出。它指向一个即将被渲染的图元列表，通知gpu按照设置进行图元渲染。

——不要频繁的调用DrawCall。在实际的渲染中，GPU的渲染速度往往超过了CPU提交命令的速度，这导致渲染中大部分时间都消耗在了CPU提交Draw Call上。我们需要尽可能用多准备数据给cpu而更少的调用DrawCall，从而通知gpu快速渲染。

 

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渲染流水线概述

 

• 应用阶段
  • 粗粒度剔除
  • 进行渲染设置
  • 准备基本数据
  • 输出到几何阶段
• 几何阶段
  • 顶点着色器
  • 曲面细分
  • 几何着色器
  • 顶点裁剪
  • 屏幕映射
• 光栅化阶段
  • 三角形(点/线)设置
  • 三角形(点/线)遍历
  • 片元着色器
• 逐片元操作
  • 裁剪测试
  • 透明度测试
  • 深度测试
  • 模板测试
  • 混合

 

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应用阶段

 

• 准备基本场景数据
  • 场景物体数据：物体变换数据、物体网格数据
  • 摄像机数据：位置方向远近裁剪平面、正交/透视、视口比例/尺寸等
  • 光源及阴影数据：光源类型、位置角度方向等参数
  • 其他全局数据

• 加速算法 粗粒度剔除
  • 碰撞检测
  • 加速算法
  • 遮挡剔除：八叉树、BSP树、K-D树、BVH
  • 其他算法

• 设置渲染状态 准备渲染参数
  • 绘制设置：使用着色器、合批方式
  • 绘制顺序：相对相机距离、材质渲染队列、UICanvas、其他方式
  • 渲染目标：FrameBuffer、RenderTexture
  • 渲染模式：前向渲染、延迟渲染

• 调用DrawCall 输出渲染图元到显存
  • 顶点数据：位置、颜色、纹理、发现、纹理uv坐标、其他
  • 其他数据：MVP变换矩阵、纹理贴图、其他

 

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几何阶段

 

• 顶点数据 ^{[可以完全编程控制]}
  • 视图变换
  • 顶点着色：坐标空间转换、顶点变换、逐顶点色彩信息处理

• 可选顶点处理 ^{[可以完全编程控制]}
  • 曲面细分(可选)：在原有的图元内加入更多的顶点
  • 几何着色器(可选)：可控制GPU对顶点进行增删改操作，并行程度低

• 投影 ^{[无法控制 已由GPU固定实现]}
  • 正交
  • 透视

• 裁剪 ^{[无法完全控制]}
  • CVV：(Canonical View Volume)
  • 正面或背面剔除(可配置)

• 屏幕映射 ^{[无法控制 已由GPU固定实现]}
  • 从连续到离散
  • 坐标系差异

 

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光栅化阶段

 

• 三角形设置：图元装配，把顶点数据收集并组装为简单的基本体

• 三角形遍历：检验屏幕上的某个像素是否被一个三角形网格覆盖，被覆盖的区域将生成一个片元。这些片元用于计算每个像素的最终颜色，并对其深度进行插值计算，对于后面计算遮挡、半透明等效果有着重要作用。

• 片元着色器：为每个片元计算颜色，该阶段完全可编程，计算结果不与附近片元相影响。

 

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逐片元操作

 

• 裁剪测试：剔除所有裁剪框外的片元

• 透明度测试：仅绘制透明度值达到设置的阈值时的片元。在OpenGL3.1被删除，与clip()效果相差不大

• 模板测试：将目标片元的模板值与缓冲区片元的模板值进行可配置的比较，仅绘制通过比较的片元。

• 深度测试：将目标片元的深度值与缓冲区片元的深度值进行可配置的比较，仅绘制通过比较的片元。[大量的被遮挡片元浪费了计算量，在不与透明度测试冲突的情况可用Early-Z(早于片元着色器计算前进行舍弃)进行优化]

• 混合：通过可配置的规则进行颜色的替换或者根据不透明度混合

 

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 后处理

 

对输出的缓冲区/渲染贴图进行处理，如：Bloom，景深，FXAA，边缘检测。  

 

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参考

 

1. GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪-Lecture 08 Shading 2 (Shading, Pipeline and Texture Mapping)
2. 【技术美术百人计划】图形 1.1 渲染流水线-TA100-renderpipeline-v2.1

 

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