目錄

渲染管線（流水線，流程）

一、渲染任務(wù)

二、三個(gè)階段

1、應(yīng)用階段

? ? ? ? 1-1：數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

? ? ? ? 1-2：設(shè)置渲染狀態(tài)

? ? ? ??1-3：發(fā)送DrawCall

2、幾何階段

? ? ? ? 2-1：頂點(diǎn)著色器

? ? ? ? 2-2：裁剪

? ? ? ? 2-3：屏幕映射

3、光柵化階段

? ? ? ? 3-1：三角形設(shè)置

? ? ? ? 3-2：三角形遍歷

? ? ? ? 3-3：片元著色器

? ? ? ? 3-4：逐片元操作

? ? ? ??

---

渲染管線（流水線，流程）

聲明：本文章參考自《Real-Time Rendering》書籍加以匯總并引用了其中部分圖片

一、渲染任務(wù)

? ? ? ? 渲染的任務(wù)其實(shí)就是從一個(gè)三維場(chǎng)景出發(fā)，將其進(jìn)行渲染生成一個(gè)二維圖像供人眼觀察。詳細(xì)點(diǎn)說(shuō)，就是CPU和GPU配合，將3D場(chǎng)景中各個(gè)對(duì)象的坐標(biāo)，紋理，材質(zhì)等信息經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換生成人眼可以看見的圖像映射到屏幕上。

二、三個(gè)階段

? ? ? ? 渲染的三個(gè)階段一般分為，應(yīng)用階段，幾何階段和光柵化階段，其大致的流程參考下方圖1

?圖1 渲染管線流程圖

三個(gè)階段的操作對(duì)象的流程圖大致可以參考一下 圖2

?圖2 渲染管線操作對(duì)象流程圖

1、應(yīng)用階段

? ? ? ? 這一階段由CPU處理，主要任務(wù)是為接下來(lái)GPU的渲染操作提供所需要的幾何信息，即輸出渲染圖元（rending primitives）以供后續(xù)階段的使用。渲染圖元就是由若干個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的幾何形狀，點(diǎn)，線，三角形，多邊形面都可以是一個(gè)圖元。

? ? ? ? 1-1：數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

? ? ? ? ?第一步應(yīng)先將不需要的數(shù)據(jù)剔除出去，如以包圍盒為單位的視錐體（粗粒度）剔除，遮擋剔除，層級(jí)剔除等等。

?????????第二步根據(jù)UI對(duì)象在Herachy面板深度值的順序（DFS深度優(yōu)先搜索)設(shè)置渲染的順序，其余物體大體可以按照離攝像機(jī)先近后遠(yuǎn)的規(guī)則為后續(xù)循環(huán)繪制所有對(duì)象制定排隊(duì)順序。

?????????第三步先將所有需要的渲染數(shù)據(jù)從硬盤讀取到主存中，再把GPU渲染需要用到的數(shù)據(jù)打包發(fā)給顯存（GPU一般沒(méi)有對(duì)主存的訪問(wèn)權(quán)限，且與顯存進(jìn)行交換速度較快）。

打包的數(shù)據(jù)詳細(xì)信息見圖3

?圖3 打包的數(shù)據(jù)信息

? ? ? ? 1-2：設(shè)置渲染狀態(tài)

? ? ? ? ?渲染狀態(tài)包括著色器（Shader），紋理，材質(zhì)，燈光等等。

? ? ? ? ?設(shè)置渲染狀態(tài)實(shí)質(zhì)上就是，告訴GPU該使用哪個(gè)Shader，紋理，材質(zhì)等去渲染模型網(wǎng)格體，這個(gè)過(guò)程也就是SetPassCall。當(dāng)使用不同的材質(zhì)或者相同材質(zhì)下不同的Pass時(shí)就需要設(shè)置切換多個(gè)渲染狀態(tài)，就會(huì)增加SetPassCall?所以SetPassCall的次數(shù)也能反映性能的優(yōu)劣。

? ? ? ??1-3：發(fā)送DrawCall

? ? ? ? ?當(dāng)收到一個(gè)DrawCall時(shí)，GPU會(huì)按照命令，根據(jù)渲染狀態(tài)和輸入的頂點(diǎn)信息對(duì)指定的模（網(wǎng)格）進(jìn)行計(jì)算渲染。

? ? ? ? ?CPU通過(guò)調(diào)用圖形API接口（?glDrawElements (OpenGl中的圖元渲染函數(shù)) 或者 DrawIndexedPrimitive (DirectX中的頂點(diǎn)繪制方法)?）命令GPU對(duì)指定物體進(jìn)行一次渲染的操作即為DrawCall。此過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在告訴GPU該使用哪個(gè)模型的數(shù)據(jù)（圖形API函數(shù)的功能就是將CPU計(jì)算出的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)渲染出來(lái)）。

在應(yīng)用階段有三個(gè)衡量性能指標(biāo)非常重要的名詞 下面我將再次敘述一下

DrawCall：CPU每次調(diào)用圖形API接口命令GPU進(jìn)行渲染的操作稱為一次DrawCall。

SetPassCall：設(shè)置/切換一次渲染狀態(tài)。

Batch：把數(shù)據(jù)加載到顯存，設(shè)置渲染狀態(tài)，CPU調(diào)用GPU渲染的過(guò)程稱之為一個(gè)Batch。

注：一個(gè)Batch包含至少一個(gè)DrawCall

??

2、幾何階段

? ? ? ? 幾何階段由GPU進(jìn)行處理，其幾乎要處理所有和幾何相關(guān)的繪制事情。如繪制的對(duì)象，位置，形狀。幾何階段處理的對(duì)象時(shí)渲染圖元，進(jìn)行逐頂點(diǎn)和逐多邊形的操作。主要任務(wù)是把頂點(diǎn)坐標(biāo)變換到屏幕空間中，以供給接下來(lái)的光柵器進(jìn)行處理。具體輸出的信息有，變換后的屏幕二位頂點(diǎn)坐標(biāo)，頂點(diǎn)的深度值，著色，法線等等信息。

接下來(lái)對(duì)幾何階段的主要流水線階段進(jìn)行一下解釋：

? ? ? ? 2-1：頂點(diǎn)著色器

? ? ? ? 流水線的第一個(gè)階段，其可以通過(guò)編程進(jìn)行控制。輸入來(lái)自CPU發(fā)送的頂點(diǎn)信息，每個(gè)頂點(diǎn)都會(huì)調(diào)用一次頂點(diǎn)著色器。其主要工作為：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和逐頂點(diǎn)光照（可選，計(jì)算輸出頂點(diǎn)的顏色值）。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是必須完成的一個(gè)任務(wù)。其把頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間。（齊次裁剪空間不是屏幕空間，是xyz均放縮到-1到1的空間），具體過(guò)程可以參考圖4

（提一下：此時(shí)GPU處理的頂點(diǎn)并不清楚頂點(diǎn)之間的關(guān)系，只是無(wú)差別的對(duì)待每個(gè)頂點(diǎn)，能? ? ? ? ? ? ?很好的體現(xiàn)各個(gè)部件的分離，降低耦合性)

圖4?坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

? ? ? ? 2-2：裁剪

? ? ? ? ?顧名思義，就是將不需要的數(shù)據(jù)對(duì)象剔除出去的過(guò)程。由于場(chǎng)景一般很大，攝像機(jī)的視野范圍可能不會(huì)覆蓋所有的場(chǎng)景物體，裁剪就是為了將那些在攝像機(jī)視野范圍外的物體剔除出去而被提出來(lái)的。

? ? ? ? 一個(gè)圖元和攝像機(jī)的關(guān)系有三種：完全在視野內(nèi)、部分在視野內(nèi)、完全在視野外。完全在視野內(nèi)的就傳遞給下一個(gè)流水線階段，完全在視野外的就不會(huì)向下傳遞，而部分在視野內(nèi)的就需要進(jìn)行一次處理，就是裁剪。

下圖（圖5）展示了一個(gè)裁剪的過(guò)程：

圖5?裁剪過(guò)程

????????由圖5可清楚的看出，除完全在空間內(nèi)外的圖元被保留和舍棄以外，部分在空間內(nèi)的圖元(黃色三角形)會(huì)被裁剪，新的頂點(diǎn)將在空間的邊界處生成，原來(lái)在外部的頂點(diǎn)會(huì)被舍棄 。

? ? ? ? 2-3：屏幕映射

? ? ? ? ? ? ? ? 通過(guò)計(jì)算將實(shí)際場(chǎng)景的對(duì)象映射到屏幕上，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)坐標(biāo)的放縮，參考圖6

圖6 屏幕映射

3、光柵化階段

? ? ? ? 此階段仍然由GPU進(jìn)行處理。這一階段將會(huì)使用上個(gè)階段傳遞的數(shù)據(jù)（屏幕坐標(biāo)系下的頂點(diǎn)位置以及和它們相關(guān)的額外信息，如深度值（z坐標(biāo))、法線方向、視角方向等。）來(lái)產(chǎn)生屏幕上的像素，并渲染出最終的圖像。光柵化的主要任務(wù)是決定渲染圖元中的哪些像素應(yīng)該被繪制在屏幕上，然后對(duì)其顏色進(jìn)行合并混合。

? ? ? ? 3-1：三角形設(shè)置

? ? ? ? ?其主要任務(wù)是為后續(xù)光柵化提供所需要計(jì)算的信息。例如，后續(xù)階段需要判斷像素點(diǎn)是否被三角形網(wǎng)格覆蓋，只靠上個(gè)階段得到的頂點(diǎn)信息無(wú)法確定邊界的覆蓋情況，還需要三角形網(wǎng)格邊的信息，所以在這個(gè)階段需要計(jì)算出邊的表達(dá)式以供后續(xù)判斷的使用。其輸出都是為了給下一階段做相應(yīng)的準(zhǔn)備。

? ? ? ? 3-2：三角形遍歷

? ? ? ? ?三角形遍歷階段會(huì)根據(jù)上一個(gè)階段的計(jì)算結(jié)果判斷一個(gè)三角形網(wǎng)格覆蓋了哪些像素，并使用三角網(wǎng)格三個(gè)頂點(diǎn)的頂點(diǎn)信息對(duì)整個(gè)覆蓋區(qū)域進(jìn)行插值。詳細(xì)過(guò)程見下方介紹:

? ? ? ? ?此階段會(huì)遍歷所有的像素點(diǎn)，判斷其是否被三角網(wǎng)格所覆蓋 (用3-1計(jì)算的結(jié)果) ，如果被覆蓋，則在此像素點(diǎn)上生成一個(gè)片元。片元不是單純的像素點(diǎn)，其還包含很多狀態(tài)的集合，這些狀態(tài)用來(lái)最終計(jì)算檢測(cè)篩選每個(gè)像素點(diǎn)最終的顏色。（部分狀態(tài)包括：屏幕坐標(biāo)，深度值，從幾何階段繼承來(lái)的法線，紋理等等）。

? ? ? ? ? 片元狀態(tài)的信息是由其所在三角形網(wǎng)格的三個(gè)頂點(diǎn)的信息的插值得到的，例如計(jì)算三角形網(wǎng)格重心位置片元的深度 如下圖（圖7）

?圖7 片元狀態(tài)信息插值

?????????最終輸出的是包含多個(gè)片元的片元序列

? ? ? ? 3-3：片元著色器

? ? ? ? ?非常重要的可編程著色器階段。片元著色器的輸入是上一個(gè)階段對(duì)頂點(diǎn)信息插值得到的結(jié)果，輸出為每個(gè)片元的顏色值。這一階段可以按需完成很多重要的渲染技術(shù)，最重要的技術(shù)之一就是紋理采樣。

??????????紋理采樣

? ? ? ? ? 為了在片元著色器中進(jìn)行紋理采樣，先在頂點(diǎn)著色器階段輸出每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，然后經(jīng)過(guò)光柵化階段對(duì)三角形網(wǎng)格的三個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)進(jìn)行插值后，就可以得到其覆蓋的片元的紋理坐標(biāo)了。其局限在于僅可以影響單個(gè)片元。即執(zhí)行片元著色器時(shí)，不能將結(jié)果直接發(fā)給旁邊的鄰居。片段著色器輸出顏色的具體過(guò)程如下圖（圖8）

圖8 計(jì)算輸出顏色?

? ? ? ? 3-4：逐片元操作

? ? ? ? ?這是OpenGL中的說(shuō)法，在DirectX中，這階段被稱為輸出合并階段(Output-Merger)。

????????該階段是對(duì)每一片 片元 進(jìn)行操作，主要任務(wù)有：

????????①?zèng)Q定每個(gè)片元的可見性，如深度測(cè)試、模板測(cè)試。

????????②如果一個(gè)片元通過(guò)了所有測(cè)試，就把這個(gè)片元的顏色值和已經(jīng)存儲(chǔ)在顏色緩沖區(qū)的顏色進(jìn)? ? ? ? ? ? ?行合并，混合。

????????????????該階段是高度可配置的，我們可以設(shè)置每一步的操作細(xì)節(jié)。該階段首先解決的是，每個(gè) ????????片元的可見性問(wèn)題。這需要進(jìn)行一系列測(cè)試，只有通過(guò)了才能和顏色緩沖區(qū)進(jìn)行合并。沒(méi)通? ? ? ? ? ? 過(guò)任何一 個(gè)測(cè)試，片元都會(huì)被丟棄。見圖（9）

圖9 片元測(cè)試及合并

? ? ? ? ?測(cè)試過(guò)程是很復(fù)雜的，不同接口實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)也不同，下面筆者將講述一些常用的測(cè)試：

? ? ? ? ?模板測(cè)試

? ? ? ? ? ? ? ? 開啟了模板測(cè)試，GPU就會(huì)使用讀取掩碼讀取模板緩沖區(qū)中該片元的模板值，將該值和讀取到的參考值進(jìn)行比較。這個(gè)比較函數(shù)可以是開發(fā)者指定的，例如小于模板值時(shí)則舍棄該片元或者大于模板值時(shí)舍棄該片元。片元無(wú)論有沒(méi)有通過(guò)模板測(cè)試都可以根據(jù)模板測(cè)試和下面的深度測(cè)試結(jié)果來(lái)修改模板緩沖區(qū)。這個(gè)修改操作也是由開發(fā)者指定的。模板測(cè)試通常用于限制渲染的區(qū)域。

????????深度測(cè)試

? ? ? ? 通過(guò)模板測(cè)試后，片元就會(huì)進(jìn)行深度測(cè)試。其同樣是高度可配置的。

????????開啟后，GPU會(huì)把該片元深度值和已存在與深度緩沖區(qū)的深度值進(jìn)行比較，這個(gè)比較函數(shù)也是開發(fā)者設(shè)置的。例如小于緩沖區(qū)深度值時(shí)舍棄該片元，或者大于緩沖區(qū)深度值等于時(shí)舍棄該片元。通常人們更希望顯示離攝像機(jī)最近的物體，所以一般比較函數(shù)設(shè)置為當(dāng)前片元深度值要小于緩沖區(qū)深度值，深度值大無(wú)法通過(guò)測(cè)試。如果片元沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，則會(huì)被丟棄掉。

與模板測(cè)試不同，只有通過(guò)之后開發(fā)者才能指定是否用該片元的深度值覆蓋原有緩沖區(qū)的深度值。這是通過(guò)開啟/關(guān)閉深度寫入做到的。

????????合并操作

????????通過(guò)了所有測(cè)試后，片元就來(lái)到了合并操作。

每個(gè)像素的信息被存儲(chǔ)在一個(gè)名為顏色緩沖區(qū)的地方，因此執(zhí)行此次渲染時(shí)，顏色緩沖區(qū)中往往已經(jīng)有了上次渲染之后的結(jié)果。所以需要合并的方式使其達(dá)到一種均衡狀態(tài)。

對(duì)于不透明物體，開發(fā)者可以選擇關(guān)閉混合操作。這樣片元著色器計(jì)算得到的顏色值就會(huì)直接覆蓋原來(lái)顏色緩沖區(qū)中的像素值。

對(duì)于半透明物體，需要使用混合操作來(lái)讓這個(gè)物體看起來(lái)是透明的。

混合操作也是可以高度配置的。開啟了混合，GPU會(huì)取出源顏色和目標(biāo)顏色將兩者混合。

源顏色是片元著色器得到的顏色，目標(biāo)顏色是已經(jīng)存在于顏色緩沖區(qū)中的顏色值。

????????提前測(cè)試

? ? ? ??提前測(cè)試的目的主要是為了提高性能

雖然邏輯上這些測(cè)試是在片元著色器之后進(jìn)行的，但對(duì)于大多數(shù)GPU來(lái)說(shuō)，他們會(huì)盡可能在執(zhí)行片元著色器之前進(jìn)行這些測(cè)試。

盡可能早知道哪些片元會(huì)被舍棄可以提高性能，比如unity的渲染流水線中的深度測(cè)試就在片元著色器之前。這種將深度測(cè)試提前的技術(shù)被稱為Early-Z技術(shù)。

但將這些測(cè)試提前其檢驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)與片元著色器中一些操作產(chǎn)生沖突。

????????至此Unity的渲染管線的大致過(guò)程就已經(jīng)介紹完畢啦~，這是筆者第一次攥寫博客部分繪制的流程圖和解釋還較為粗糙，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)編寫有關(guān)Unity的內(nèi)容，希望能對(duì)大家有所幫助（.^?^.）

? ? ? ??

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Unity3D 渲染管线全流程解析的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。