渲染管线详解

渲染管线

这是我在找工作过程中总结准备的。 第二篇讲得很细。可能后面由更深理解时再重写或者更改。

应用程序阶段

CPU负责，对数据进行处理，剔除。为GPU输入对应物体的渲染状态（纹理，材质，着色器）。将数据输入渲染管线。
CPU对GPU发指令Drawcall 批处理
输入图元、shader以及shader属性、贴图。通过DrawCall传入：设置渲染状态-》绘制图元数据-》结束DrawCall

顶点数据 完全可控

输入装配阶段，顶点坐标、顶点颜色、顶点法线、纹理坐标。可以在片元阶段阶段计算片段光照信息输出到颜色缓冲器。顶点数据在流水线中以图元形式处理。用顶点缓存对象(Vertex Buffer O)共享顶点。

几何处理阶段

GPU主导，开始进入流水线
顶点着色器、投影变换、裁剪、屏幕映射。

顶点着色器 完全可控

执行着色器的地方叫做SM，顶点着色器以及片元着色器都是在这一部分运算。warp就是由32个线程组成的线程束，是SM的基本单位。shader用到的warp越多越快。
顶点变换和顶点着色，局部坐标通过模型矩阵变换到世界坐标，世界坐标通过观察矩阵变换到观察坐标，观察坐标通过投影矩阵到裁剪坐标。（在图元组装部分进行）裁剪坐标通过投射除法到标准设备空间坐标，NDC通过视口变换到窗口坐标。
光照计算一般在世界空间进行，存在非均匀变换则需要通过矩阵逆的转置进行法线变换。
裁剪空间就是一个以原点为中心的立方体，不在裁剪空间的图元就会被裁剪。
正交投影
透视投影，使用齐次坐标，在透视除法阶段获得NDC坐标，由硬件自动完成。

Flat Shading 由一个顶点颜色作为整个三角形的颜色。
Gouraud Shading 逐顶点着色 在顶点着色器完成，在光栅化阶段插值得到各片段的光照信息。但高光结果不行，因为高光不是线性变化的。
Phong Shading 逐片段着色，根据输入的顶点法线信息在光栅化阶段进行法线插值，然后在片段着色器中计算光照信息。

曲面细分着色器

镶嵌化技术进行三角形细分，增加三角形的数量。可选。由外壳着色器、镶嵌器、域着色器。
贴图置换
不使用高模是因为：1.可以通过GPU实现动态LOD 根据物体和相机之间的距离调整细节 随着距离拉近可以连续镶嵌化处理增加细节。2.节约内存

几何着色器 完全可控

可选 完整的图元输入数据 输出可能输出多个图元也可能不输出。将一个点扩展成一个四边形。 公告栏效果。

图元组装

将输入的顶点组装成指定的图元。在光栅化前，通过裁剪和背面剔除为光栅化提供在视锥体中的图元。（下一步）还会进行透视除法以及窗口转换
裁剪 完全位于视锥体外的图元会裁剪 部分位于视锥体的图元则是裁剪 在边界处增加新的顶点。
但实际上不裁剪直接传入光栅化。只做保护带裁剪，将超出视口但不会产生整数型精度溢出的部分称为保护带。

裁剪使用的是齐次坐标则通过透视除法得到NDC，再通过视口转换得到屏幕坐标。

背面剔除 剔除那些背对摄像机的图元，根据环绕顺序，逆时针为正。或者通过行列式。

屏幕映射 不可控

透视除法 通过硬件自动完成 通过透视除法可以得到标准设备空间坐标，也可以成为标准视体CVV。正交投影或者是透视投影都会经过透视除法，只是正交投影w分量为1.齐次坐标记录下投影变换前正确的深度信息。

视口变换 不可控 与硬件无关，屏幕坐标是2D概念，窗口是2.5D存在深度信息。
就是将顶点从3D映射到2D投射在屏幕上，z轴留给光栅化阶段使用。
视口变换反向就是拾取变换。

光栅化 复杂而不可控

扫描转化，将屏幕空间的图元离散化为片元的过程。分为三角形组装和三角形遍历。

三角形组装 对输入的顶点数据进行插值。
三角形遍历 遍历三角形图元覆盖了那些片段的采样点。

线段扫描转换
DDA Bresenham
多边形填充

像素处理阶段

像素着色器和混合。
1.顶点着色器到片元着色器的插值 硬件控制 不可控
2.Early Z/Stencil Test 剔除一些被遮挡的三角形 不可控
3.将参数传递给片元着色器，通过GPU的L1 L2缓存进行。 不可控。

片段着色器 可控

实际上处理的不是一个片元而是2*2的片元。
决定屏幕上像素的最终颜色，进行光照以及阴影处理。

测试混合阶段

裁剪测试、Alphua测试、模板测试、深度测试
1.lateZ 计算图元的Z值与缓存中的Z值大小，是否更新。
2.stencil 记录图元位置的离屏缓存，可以改变颜色缓存和深度缓存。
3.blend

参考
https://zhuanlan.zhihu.com/p/430541328
https://positiveczp.github.io/细说图形学渲染管线.pdf
https://zhuanlan.zhihu.com/p/137780634