【翻译】【西川善司】3D图形的概念和渲染管线（5回完)
本文取自西川善司的3D图形技术连载，全99回
本贴为9~13回，争取每1~2天更新一回吧。半年更新完。
也希望大家能支持。
翻译 Trace
校对&注解 千里马肝
3D图形的概念和渲染管线（Render Pipeline）
前面介绍了3D图形历史，接下来要解说的是3D图形的处理流程。
3D图形管线的流程图
图1是3D图形的流程模型。这个虽然是对应DirectX 10/SM4的GPU流程模型，不过部分流程会根据GPU的不同，有时会有更细致的处理，有时也会做一些简略，这点敬请谅解。
首先，介绍一下3D图形的处理为什么会变成这样的根本原因。会变成这个样子，是由于在漫长又短暂的实时3D图形历史中，这个部分需要进行最顺畅的处理，更重要的是因为这样设计GPU会更容易实现的原因。这个流程不管是在Direct3D还是在OpenGL里都没有太大的差异。
图1 GPU内部的渲染流程
CPU负责的3D图形处理部分 = 游戏引擎？
图1的[1]和[2]的部分，主要是在CPU里进行的处理。
配置3D物体或是移动后再设置，因为这两种很类似，所以把这些在系统中处理的部分全部称作[游戏引擎]。
在游戏引擎中，遵从键盘输入、鼠标输入、游戏控制输入让3D角色移动，或是进行开枪击中敌人的命中时的碰撞检测，根据碰撞的结果，虽然要进行把3D角色们击飞的物理模拟，但这些是游戏逻辑的部分，某种意味上，是和[1][2]相同的部分。
另外，在[2]中如果有对应DirectX 10/SM4.0的GPU，要是能利用Geometry Shader，那么也可以在GPU上进行了，例如关于particle或billboard这样的point sprite，把创建和销毁用Geometry Shader来处理，就可以实现让GPU介入的处理。虽然如此，一般的3D游戏处理中，这部分还是由CPU来处理的部分。
Vertex Pipeline和Vertex Shader的坐标系是什么？
图中红线的[3][4][5][6]的部分，是进行顶点相关处理的顶点管线。
通常从这里开始是在GPU内部进行处理的部分。但是，为了简化内部逻辑以降低成本，所以要让图形机能整合，就是所谓的[统一芯片组]，把这个顶点管线转移到CPU的（仿真）系统也是存在的。
那么，直到稍早之前，很多时候把这个顶点管线称为[几何体处理]。所谓几何体(Geometry)就是是[几何学]。在高中，虽然就会在数学或是[代数•几何]的课程中，学到[向量(Vector)运算]和[线性映射(Linear Map)或线性变换(Linear Transformation)]，不过这就是那个世界的事了。说句闲话，NVIDIA的GPU，GeForce系列的名字是由「Geometric Force(几何学的力量)」的缩写所造的名词，可以说有着[G-Force重力]的双关语。
把话题转回来，说回3D图形上的[3次元向量]的概念，简单而言想成是[三次元空间上的”方向”]就可以了。这些”方向”被x,y,z的3个轴的坐标值来表示，以这些”方向”为基准的被称之为[坐标系]。
「局部坐标系」，如果具体的描述就是对于某个3D角色来说，设置为基准的坐标系，3D角色的方向就是这个3D角色的基准坐标系，通过处理[朝向是哪里]，控制的人会很轻松，所以利用了局部坐标系这个概念。
对了，一般的3D角色上虽然有很多是带有手臂和脚，考虑到那些手脚在关节处弯曲的情况，如果用关节为基准的局部坐标系进行控制会更容易理解，但是这样考虑的话，就要把局部坐标系做成多层的结构，最终的处理会变得不容易理解。
接下来，支配3D全局空间的整体坐标系就很有必要了，这就是[世界坐标系]。在处理3D图形的顶点管线中的顶点单位时，从局部坐标系向世界坐标系的变换会多次发生。
这样生成的顶点要根据shader程序进行坐标系的变换处理，就是[3][顶点着色语言][Vertex Shader]。通过着色器编程，就可以进行独特而特殊的坐标系变换。
前面介绍了3D图形历史，接下来要解说的是3D图形的处理流程。
3D图形管线的流程图
图1是3D图形的流程模型。这个虽然是对应DirectX 10/SM4的GPU流程模型，不过部分流程会根据GPU的不同，有时会有更细致的处理，有时也会做一些简略，这点敬请谅解。
首先，介绍一下3D图形的处理为什么会变成这样的根本原因。会变成这个样子，是由于在漫长又短暂的实时3D图形历史中，这个部分需要进行最顺畅的处理，更重要的是因为这样设计GPU会更容易实现的原因。这个流程不管是在Direct3D还是在OpenGL里都没有太大的差异。
图1 GPU内部的渲染流程
CPU负责的3D图形处理部分 = 游戏引擎？
图1的[1]和[2]的部分，主要是在CPU里进行的处理。
配置3D物体或是移动后再设置，因为这两种很类似，所以把这些在系统中处理的部分全部称作[游戏引擎]。
在游戏引擎中，遵从键盘输入、鼠标输入、游戏控制输入让3D角色移动，或是进行开枪击中敌人的命中时的碰撞检测，根据碰撞的结果，虽然要进行把3D角色们击飞的物理模拟，但这些是游戏逻辑的部分，某种意味上，是和[1][2]相同的部分。
另外，在[2]中如果有对应DirectX 10/SM4.0的GPU，要是能利用Geometry Shader，那么也可以在GPU上进行了，例如关于particle或billboard这样的point sprite，把创建和销毁用Geometry Shader来处理，就可以实现让GPU介入的处理。虽然如此，一般的3D游戏处理中，这部分还是由CPU来处理的部分。
Vertex Pipeline和Vertex Shader的坐标系是什么？
图中红线的[3][4][5][6]的部分，是进行顶点相关处理的顶点管线。
通常从这里开始是在GPU内部进行处理的部分。但是，为了简化内部逻辑以降低成本，所以要让图形机能整合，就是所谓的[统一芯片组]，把这个顶点管线转移到CPU的（仿真）系统也是存在的。
那么，直到稍早之前，很多时候把这个顶点管线称为[几何体处理]。所谓几何体(Geometry)就是是[几何学]。在高中，虽然就会在数学或是[代数•几何]的课程中，学到[向量(Vector)运算]和[线性映射(Linear Map)或线性变换(Linear Transformation)]，不过这就是那个世界的事了。说句闲话，NVIDIA的GPU，GeForce系列的名字是由「Geometric Force(几何学的力量)」的缩写所造的名词，可以说有着[G-Force重力]的双关语。
把话题转回来，说回3D图形上的[3次元向量]的概念，简单而言想成是[三次元空间上的”方向”]就可以了。这些”方向”被x,y,z的3个轴的坐标值来表示，以这些”方向”为基准的被称之为[坐标系]。
「局部坐标系」，如果具体的描述就是对于某个3D角色来说，设置为基准的坐标系，3D角色的方向就是这个3D角色的基准坐标系，通过处理[朝向是哪里]，控制的人会很轻松，所以利用了局部坐标系这个概念。
对了，一般的3D角色上虽然有很多是带有手臂和脚，考虑到那些手脚在关节处弯曲的情况，如果用关节为基准的局部坐标系进行控制会更容易理解，但是这样考虑的话，就要把局部坐标系做成多层的结构，最终的处理会变得不容易理解。
接下来，支配3D全局空间的整体坐标系就很有必要了，这就是[世界坐标系]。在处理3D图形的顶点管线中的顶点单位时，从局部坐标系向世界坐标系的变换会多次发生。
这样生成的顶点要根据shader程序进行坐标系的变换处理，就是[3][顶点着色语言][Vertex Shader]。通过着色器编程，就可以进行独特而特殊的坐标系变换。
图2 坐标系的概念图
