轉(zhuǎn)載自：?https://blog.csdn.net/nikoong/article/details/79776873

渲染管線入門

?

　　渲染管線中一些技術(shù)名詞大部分是英文直譯，光看中文很容易被誤導(dǎo)。所以我們必須在了解一個(gè)技術(shù)的具體作用之后，才能了解它到底是什么。這篇博客我主要翻譯自Minh Tri Do Dinh的GPUs - Graphics Processing Units一文。也就是一些論壇里推薦給新手閱讀的圖形處理器架構(gòu)(GPU_Architecture)與圖形管線(Graphics_Pipeline)。在此之上我還添加一些注解，方便大家閱讀。

基礎(chǔ)名詞

• 3D物體：任何物體，其幾何形狀都是由三角形組成的。三角形，或者任何圖形，都由頂點(diǎn)組成。?
  ?
  

• 頂點(diǎn)：具有空間坐標(biāo)和其他信息（如顏色和紋理坐標(biāo)）的點(diǎn)

• 紋理：映射到3D物體表面的圖像，這會(huì)造成該物體由某種材料組成的幻覺(jué)。物體的頂點(diǎn)存儲(chǔ)著紋理坐標(biāo)（2維向量），用于指定紋理如何映射到任何給定表面。?
  ?
  

• 齊次坐標(biāo)：3D空間中的點(diǎn)通常需要3個(gè)坐標(biāo)來(lái)指定位置。如果繼續(xù)用3個(gè)坐標(biāo)表示，有時(shí)會(huì)遇到問(wèn)題。例如：頂點(diǎn)平移時(shí)的操作是加一個(gè)向量，頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的操作是乘以3x3矩陣）。所以我們通過(guò)擴(kuò)展三維向量來(lái)繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。我們添加另一個(gè)坐標(biāo)（w坐標(biāo)，從而得到所謂的齊次坐標(biāo)[注1]。這樣一來(lái)，頂點(diǎn)的所有變換都可以通過(guò)將其四維坐標(biāo)與特定的4x4矩陣相乘來(lái)進(jìn)行，使得計(jì)算更容易。齊次坐標(biāo)的另一個(gè)用途是明確區(qū)分向量和點(diǎn)。

渲染管線

　　渲染管線（Graphics pipeline/rendering pipeline），其實(shí)貼切的翻譯應(yīng)該是渲染流水線。渲染流水線就是將數(shù)據(jù)從3D場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成2D圖像，最終在屏幕上顯示出來(lái)的總過(guò)程。它分為幾個(gè)階段：應(yīng)用階段、幾何階段和光柵階段。?
　　應(yīng)用階段：主要是CPU與內(nèi)存打交道，例如碰撞檢測(cè)，計(jì)算好的數(shù)據(jù)（頂點(diǎn)坐標(biāo)、法向量、紋理坐標(biāo)、紋理）就會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳給圖形硬件 。?

幾何階段(Geometry Stage)

　　這個(gè)階段也被稱為“變換和光照”階段。為了從3D場(chǎng)景轉(zhuǎn)換到2D，場(chǎng)景中的所有物體都需要轉(zhuǎn)換到幾個(gè)空間。每個(gè)空間都有自己的坐標(biāo)系。這些轉(zhuǎn)換是通過(guò)一個(gè)空間的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)空間的頂點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。?
　　光照（lighting），是這個(gè)階段的另一個(gè)主要部分。是使用物體表面的法向量來(lái)計(jì)算的。通過(guò)攝像機(jī)的位置和光源的位置，可以計(jì)算出給定頂點(diǎn)的光照屬性。?
?

　　對(duì)于坐標(biāo)系變換，我們從物體坐標(biāo)系開(kāi)始，每個(gè)物體都有自己的坐標(biāo)系，這有利于幾何變換，如平移，旋轉(zhuǎn)和縮放。?
　　之后，我們進(jìn)入到世界坐標(biāo)系，場(chǎng)景中的所有物體都具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系。?
　　下一步是轉(zhuǎn)換到視圖空間，即攝像機(jī)坐標(biāo)系。想象一下：先在世界空間中放一個(gè)虛擬攝像機(jī)，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換，使得攝像機(jī)位于視圖空間的原點(diǎn)，鏡頭對(duì)準(zhǔn)z軸的方向。現(xiàn)在我們定義一個(gè)所謂的視體（view frustrum），它用來(lái)決定了我們能夠通過(guò)虛擬的3D攝像機(jī)所能看到的場(chǎng)景，我們只需要把這些內(nèi)容渲染出來(lái)就行。?
?

　　之后，所有的頂點(diǎn)將被轉(zhuǎn)換剪切空間，并通過(guò)圖元裝配，組裝成圖元（primitive，三角形或線）。當(dāng)物體在視體的外，說(shuō)明我們不需要渲染這個(gè)物體，所以就簡(jiǎn)單丟棄它。當(dāng)一個(gè)物體有部分在視體內(nèi)，我們需要進(jìn)行剪切，同時(shí)生成新的頂點(diǎn)。新頂點(diǎn)具有適當(dāng)?shù)牡募y理坐標(biāo)和顏色坐標(biāo)。?
　　接著我們執(zhí)行透視分割操作，其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)投影變換，把”近大遠(yuǎn)小“的效果實(shí)現(xiàn)出來(lái)。把一個(gè)視體轉(zhuǎn)換為歸一化的立方體。這個(gè)立方體的坐標(biāo)范圍：x和y在-1和1之間，z在0和1之間。同時(shí)視體內(nèi)的物體也一同進(jìn)行縮放。這樣一來(lái)得到的立方體，便于裁剪操作，也便于將來(lái)投影到平面（立方體只需要“扁平化”）。?
?

　　最后，我們轉(zhuǎn)換到屏幕空間。執(zhí)行的操作：根據(jù)窗口大小將x和y坐標(biāo)縮放到合適的坐標(biāo)，這樣就得到2D圖片了。（請(qǐng)注意，頂點(diǎn)的z坐標(biāo)會(huì)保留，用于以后的深度操作）?
　　請(qǐng)注意，除了剪裁之外紋理坐標(biāo)也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。還要注意除去不可見(jiàn)的表面[注2]。如出去立方體的背面，就是所謂的背面剔除。

光柵階段(Rasterization Stage)

　　光柵這個(gè)名詞不太好理解，新手可以想象成”透過(guò)一把梳子看世界“，類似于將連續(xù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)據(jù)。這里光柵階段是指矢量圖形轉(zhuǎn)化成像素點(diǎn)的過(guò)程。?
　　GPU需要遍歷2D圖像并進(jìn)行轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為大量“像素候選”，即所謂的片段（Fragment，片段可以理解為像素的原型，但絕對(duì)不是指一大片像素）。片段是包含位置，顏色，深度，紋理坐標(biāo)等屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。片段可能會(huì)最終成為圖像上的像素。片段是通過(guò)檢查原始圖元和和屏幕像素是否相交來(lái)生成的。如果一個(gè)片段與一個(gè)基元相交，但不與它的任何頂點(diǎn)相交，那么它的屬性必須通過(guò)頂點(diǎn)之間的屬性插值來(lái)計(jì)算得出。?
?

　　最后還有一些步驟來(lái)得到最終的像素。最終像素顏色的計(jì)算：結(jié)合紋理和顏色、光照等其他屬性，或片段與另一個(gè)半透明片段的結(jié)合（所謂的α混合），亦或是可選的霧化效果（另一個(gè)圖形效果）。[注3]

---

注1：齊次坐標(biāo)和四元數(shù)長(zhǎng)得很像，但卻是不同的概念，適用領(lǐng)域也不一樣。

注2：可見(jiàn)性檢查的一些具體操作：?
* 剪刀測(cè)試（檢查矩形面罩的可見(jiàn)度）?
* 模板測(cè)試（類似于剪刀測(cè)試，僅針對(duì)緩沖區(qū)中的任意像素模板）?
* 深度測(cè)試（比較片段的z坐標(biāo)，丟棄更遠(yuǎn)的片段）?
* Alpha測(cè)試（檢查半透明碎片的可見(jiàn)度）

注3：在我們獲得最終結(jié)果之前，可以應(yīng)用像抗鋸齒這樣的附加程序：將一些像素寫入內(nèi)存供以后顯示。

reference

• GPUs - Graphics Processing Units
• 知乎：如何理解 OpenGL 中著色器、渲染管線、光柵化等概念？
• OpenGL技術(shù)之View Volume, Viewport, Screen的關(guān)系
• 維基百科-齊次坐標(biāo)
• 坐標(biāo)系統(tǒng)
• ?此外，還要講的就是? ?shader? 的編寫，這里推薦? ?http://bbs.gameres.com/upload/sf_20061018193133.pdf

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的渲染管线简介的全部?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。