一、渲染的概念

渲染是指以軟件由模型生成圖像的過程

渲染管線(廣義)分為CPU應(yīng)用程序端渲染邏輯和GPU渲染管線(通常我們說的渲染管線)

預(yù)渲染與實時渲染

• 預(yù)渲染：預(yù)渲染的計算強度很大，需要大量的服務(wù)器運算完成，渲染需要很長時間，通常用于電影制作等
• 實時渲染：實時渲染需要在一秒鐘內(nèi)完成至少24幀圖像，如果想流暢就需要至少60幀圖像。所以實時渲染需要一些優(yōu)化手段急速渲染過程。實時渲染通常通過圖形處理器（GPU）完成這個過程。

二、CPU(當(dāng)相機調(diào)用render()時開始工作)

第一步 剔除（Culling）

1?? 視錐體剔除（Frustum Culling）

攝像機根據(jù)FOV(Field of View 視場角) 和遠近裁面形成一個錐臺，讓模型和這個錐臺進行碰撞檢測，如果沒有碰撞說明不在視野內(nèi)，直接剔除，不需要渲染。

🎯 Tips 1: 有的模型表面的網(wǎng)格非常復(fù)雜（比如球體）

簡化處理：生成一個AABB包圍盒與錐臺進行碰撞檢測

2?? 遮擋剔除（Occlusion Culling）

3?? 層級剔除（Layer Culling Mask）

第二步 確定渲染順序—排序（Sort）

Render Queue 的數(shù)值越小，表示物體越先被渲染

如果Render Queue相等，會分成兩個渲染隊列，不透明渲染隊列和透明渲染隊列

1?? 不透明渲染隊列（Render Queue < 2500）

按攝像機距離從前到后排序

🍜Tips 1: Why?

這其實是一種優(yōu)化，離得近的如果覆蓋了遮擋了距離遠的，那后者就可以不用渲染了

2?? 半透明渲染隊列（Render Queue > 2500）

按攝像機距離從后向前排序

🍜Tips 1: Why?

這是為了保證渲染結(jié)果的正確性

第三步 打包數(shù)據(jù) 發(fā)送給GPU

包含大量數(shù)據(jù)和參數(shù)

第四步 調(diào)用Shader：SetPassCall、DrawCall 發(fā)送給GPU

三、GPU

收到指令SetPassCall、DrawCall 和 CPU 傳送的打包數(shù)據(jù)

第一步 通過一系列工作將模型渲染成2D圖像

1?? 頂點處理

頂點Shader：將模型空間頂點轉(zhuǎn)換成裁剪空間，然后又硬件來將這些頂點映射到屏幕上（3D變2D）

• 最重要的任務(wù)：將頂點坐標(biāo)從模型空間變換到裁剪空間
• 經(jīng)過頂點Shader處理后，相機金字塔狀的視錐體被轉(zhuǎn)換變形成一個比例為221的立方體（CVV）
• 頂點Shader并不會產(chǎn)生2D圖像，僅使得場景中的3D對象產(chǎn)生變形效果

拍照過程：放置物體 -> 擺好相機 -> 摁下快門

通過矩陣完成以下空間變化

① 模型空間 -> 世界空間

② 世界空間 -> 相機空間

③ 相機空間 -> 裁剪空間

2?? 圖元裝配及光柵化（硬件操作階段）

圖元裝配：將點連接起來

光柵化：在圖元內(nèi)部插入片元（類似還沒有顯示的像素）

光柵化之后3D徹底變成2D

具體操作

① 裁剪操作

對裁剪空間進行裁剪。與視錐體相交的部分會被裁剪不渲染部分并生成新的三角面，完全在外面的就直接裁剪掉

② 透視除法

將裁剪后的物體坐標(biāo)縮放到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)(NDC)

③ 背面剔除

根據(jù)索引列表來判斷是否為背面。

④ 視口轉(zhuǎn)換

將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)（只轉(zhuǎn)化x,y坐標(biāo)）

⑤ 圖元裝配

前面的所有操作都是頂點操作，圖元裝配環(huán)節(jié)將點進行連線

⑥ 光柵化

生成在圖形內(nèi)部生成片元

z坐標(biāo)值會通過插值儲存為片元的深度值等各種數(shù)據(jù)來幫我們處理前后遮擋關(guān)系等

插值：我們知道兩邊界點的值，算出中間的值

3?? 片元處理

每一個片元都會調(diào)用自己的片元Shader進行計算

片元Shader：對片元進行著色 ------ 光照著色，紋理著色

紋理圖像：一個二維數(shù)組，利用文素地址儲存一組顏色值

• 紋理技術(shù)
  • 紋理采樣：給定一個數(shù)值，找對對應(yīng)的像素地址顏色值
  • 紋理過濾機制：解決小圖->大屏幕問題
    • 常規(guī)處理:對中間的值直接四舍五入為最接近的值進行采樣：會失真（對應(yīng)Unity中的Point）
    • 優(yōu)化：對周圍四個值進行插值運算，最終結(jié)果會柔和很多(雙線性插值，對應(yīng)Unity中的Bilinear)
  • Mipmap紋理鏈：解決大圖->映射到小塊區(qū)域問題 ------ 生成一系列不同大小的圖像，選用合適的來映射（對應(yīng)Unity中的Generate Mip Maps）
  • 紋理尋址模式：確定紋理坐標(biāo)查出文素地址范圍時的處理方法（對應(yīng)Unity中的Wrap Mode）
  • 紋理壓縮格式：將我們傳入的圖片轉(zhuǎn)換為各種平臺能夠使用的壓縮格式，不同壓縮格式對最終結(jié)果有很大影響
• 光照計算
  • 光照形成
    • 直接光照：考慮的是光線到達
    • 間接光照
  • 光照模型
    • Phong光照模型：
      • 一個物體表面的顏色由三個因素決定：
      • 漫反射—反射出去的光線在各個方向上都是均等的
      • 鏡面反射 光滑度：決定衰減范圍
      • 環(huán)境光：間接光照
    • 基本框架—這些光照效果相加就是最終呈現(xiàn)的效果
      • 直接光漫反射
      • 直接光鏡面反射
      • 間接光漫反射
      • 間接光鏡面反射
      • More

4?? 輸出合并

處理遮擋關(guān)系和顏色混合等等，并完成輸出

• 最重要的任務(wù)：處理遮擋關(guān)系、處理半透明混合
• 通俗地講：片元通過重重考驗到達像素點位置的過程

流程：

① Alpha測試

檢測片元的Alpha值，如果太小就可以直接丟棄

② 模板測試

③ 深度測試

檢測片元的深度值：深度越小越應(yīng)該渲染（小于深度緩沖區(qū)深度值才能寫入，寫入后更新深度緩沖區(qū)的深度值）

• ZWrite 深度寫入：關(guān)閉ZWrite后，通過深度測試之后的片元仍然寫入，但深度緩沖區(qū)不更新
• ZTest 深度測試：默認是小于深度緩沖區(qū)的值才能寫入，但可以強制修改
• Early-Z 提前深度測試：發(fā)生在頂點Shader之后，片元Shader之前。是一種優(yōu)化

④ 混合

可以柔和地將片元都輸出到像素點，進行混合

• 從后到前(半透明混合之前提到過)
• 關(guān)閉ZWrite

🍪 Tips 1: Shader是什么？

Shader是運行在GPU上的一段可編程的程序

一個完整的Shader由頂點Shader和片元Shader組合而成

第二步 輸出到幀緩沖區(qū)

幀緩沖區(qū)相當(dāng)于是臨時的畫布，當(dāng)全部渲染完畢時，幀緩沖區(qū)的內(nèi)容可以顯示到屏幕中

緩沖區(qū)分為顏色緩沖區(qū)、深度緩沖區(qū)和模板緩沖區(qū)

第三步 后處理操作

顯示到屏幕前，CPU可以拿到幀緩沖區(qū)的內(nèi)容，進行二次修改（調(diào)色、Bloom等）然后再傳送給GPU渲染管線，最終才顯示在屏幕上

四、多個相機

每個相機會跑完整的渲染流程

相機通過Depth決定渲染順序，后渲染的可以通過Clear Flags確定是否清除前一個相機的渲染。

參考資料：視頻教程

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的渲染管线概述的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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