计算机图形学-渲染管线

渲染管线

一、流水线的概念

• 流水线最终目的：生成或渲染一张二维纹理，输入是一个虚拟像机，光源，Shader，纹理等。

• 硬盘 –>> RAM –>> 显存

• CPU发指令从硬盘到RAM内存，GPU将要显示的缓存发到显存

二、GPU渲染管线

• 渲染管线功能：决定在给定虚拟相机、三维物体、光源、照明模式，以及纹理等诸多条件的情况下生成或绘制一幅二维图像过程。

• 流水线三个概念阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段

  1、应用阶段：

  • 将需要在屏幕上显示出来的几何体，也就是绘制图元，比如点、线、矩形等输入到绘制管线的下一个阶段。输出图元的顶点数据、摄像机位置、光照纹理等参数。

• 将数据加载到显存中：（硬盘–>内存RAM –>显存–> VRAM）

  • 设置渲染状态：使用哪个着色器、光源属性、材质等

• 调用DrawCall：一个命令，CPU调用GPU的命令，一个DrawCall指向需要渲染的图元列表

  2、几何阶段：

  • 需要将顶点数据最终进行屏幕映射，输出屏幕空间二维顶点坐标，顶点对应的深度值，颜色等相关信息。
  • 将各个图元从模型坐标系转换到世界坐标系中，也就是模型变换

• 根据光照纹理等计算顶点材质的光照着色效果

  • 根据摄像机位置、取景进行观察变换和裁剪

• 进行屏幕映射，也就是把三维模型转换到屏幕坐标系

  3、光栅化阶段：

  • 输入是经过变换和投影后的顶点、颜色以及纹理坐标，工作是给每个像素正确配色，以便绘制整幅图形。
  • 由于输入的是三形顶点，所以需要根据三角形表面的差异，逐个遍历三角形计算各个像素的颜色值。之后根据其可见性等进行合并得到最后的输出。

  

三、几何阶段

• 顶点着色器：（可编程）模型变换（模型空间到世界空间）、视图变换（世界空间到观察空间）、逐顶点光照着色
• 几何、曲面细分着色器：（可编程）顶点增删，曲面细分，增加点使曲面更光滑
• 裁剪：（可配置）规范化投影变换（观察空间到规范化观察空间）、裁剪
• 屏幕映射：（固定）（规范化观察空间到屏幕坐标系）

四、光栅化阶段

• 三角形设置：（固定）将顶点设置成三角形
• 三角形遍历：（固定）遍历三角形，通过顶点的深度插值得到深度，得到三角形的每一个片元，片元是状态的集合，用来计算每个像素的最终颜色。状态包括屏幕坐标、深度信息、顶点信息、法线、纹理坐标等。
• 片元着色器：（可编程）根据上面状态的集合对三角形的每一个片元计算颜色值
• 逐片元操作：（可配置）模板测试、深度测试、颜色混合、帧缓存

五、CPU到GPU

应用程序调用CPU去显示，CPU从硬盘加载渲染需要的数据到内存，然后从内存里取到顶点数据传给显存。

CPU再通过Shader语言调用显卡驱动来调用GPU，GPU取得显存里的顶点数据等来计算得到要显示到屏幕的帧缓存。

六、Shader 语言

OpenGL语言是GLSL（OpenGL Shading Language）：优点是跨平台没有提供着色器编译器，由显卡驱动来完成着色器编译工作。依赖硬件而非操作系统层级的。

DirectX语言是HLSL(High Level Shading Language)：由微软控制着色器编译，支持平台受限。

NVIDIA的CG（C for Graphic）：真正的跨平台，会编译成相应的中间语言，因为跟微软合作，所以语法很像HLSL。

HLSL、GLSL、Cg是高级语言，会被编译成汇编语言，也就是中间语言（Intermediate Language，IL)，然后中间语言交给显卡驱动来翻译成真正的机器语言，即GPU可以理解的语言。

顶点着色器：Vertex Shader

几何着色器：Geometry Shader

曲面细分着色器：Tessellation Shader

片元着色器：Fragment Shader

EBO(Element Buffer Object也叫IBO(Index Buffer Object))索引缓冲区对象，这个缓冲区主要用来存储顶点的索引信息。

VBO(Vertex Buffer Object)顶点缓冲区对象，主要用来存储顶点的各种信息。好处：模型的顶点信息放进VBO，这样每次画模型时，数据不用再从CPU的内存取，而是直接从GPU的显存里取，提高效率。

VAO(Vertex Arrary Object)顶点数组对象，保存了所有顶点数据属性的状态结合，存储了顶点数据的格式以及顶点数据所需的VBO对象的引用。本身并没有存储顶点的相关属性数据，这些数据是存储在VBO中的，VAO相当于是对很多个VBO的引用，把一些VBO组合在一起作为一个对象统一管理。