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一、渲染流水线

1. 概述

由一个三维场景出发，渲染一张二维的图像。

2 . 概念渲染流水线

• 应用阶段：开发者可以自由主导的阶段，通常由 CPU 负责。开发者主要通过以下 3个 主要任务
  输出渲染需要的几何信息，即 渲染图元
  • 布置好场景。模型、相机和光照的摆放。
  • 粗粒度剔除（culling）。将被遮挡，不可见的物体剔除出去。
  • 设置模型的渲染状态。包括材质、纹理、shader等。
• 几何阶段： 通常在 GPU 中进行。对输入的渲染图元进行多步处理，
  • 输出屏幕空间二维顶点坐标（MVP变换），每个顶点包含深度值、着色等信息
• 光栅化阶段： 通常在 GPU 上运行。主要是决定每一个渲染图元中那些像素应该绘制到屏幕上。需要对几何阶段得到的顶点数据（纹理坐标、顶点颜色）进行插值，然后逐像素处理。

下面介绍的GPU流水线这是硬件真正用于上述概念的流水线

3. CPU 和 GPU 之间通信（应用阶段）

应用阶段的起点是 CPU。主要分为三部分。

1. 应用阶段
   1. 把数据加载到显存（GPU）中：所有需要渲染的数据，需要从硬盘中加载到内存（Random Access Memory RAM）中，再将网格、纹理等信息加载到 GPU 显存（Video Random Access Memory VRAM）中
   2. 设置渲染状态：定义了场景中网格是被怎么渲染的。
      使用哪个顶点着色器（Vertex Shader）/片元着色器（Fragment Shader）、光源属性、材质等
   3. 调用 Draw Call：当所有CPU 通知 GPU 对一个被需要渲染的图元列表进行渲染
      • 渲染图元（rendering Primitives）：点、线、面

4. GPU 流水线（几何阶段 + 光栅化阶段）

GPU 接受到了 CPU 的 Draw Call 指令。会按照顺序执行下面的步骤

顶点数据

1. 几何阶段
   1. 顶点着色器（Vertex Shader）：完全可编程。
      • 顶点变换：顶点变换把模型空间的顶点变换到裁剪空间/屏幕空间
      • 顶点着色：并准备一些插值数据，比如顶点位置、法线、顶点颜色
   2. 曲面细分着色器(Tessellation Shader)：可选着色器，用于细分图元。
   3. 几何着色器(Geometry Shader)：可选着色器。用于逐图元的着色，或生成更多的图元。
   4. 裁剪(Clipping)：可配置。将不在摄像机内的顶点裁剪掉，并剔除某些三角图元的面片。
   5. 屏幕映射(Screen Mapping)：不可配置和编程。负责将图元坐标转换到屏幕坐标系中。
2. 光栅化阶段
   1. 三角形设置(Triangle Setup)：固定函数
      • 上个阶段是三角网络的顶点，需要计算三角网络
   2. 三角形遍历(Triangle Traversal)：固定函数
      • 判断一个三角网络覆盖了哪些像素
      • 并使用三角形网络的三个顶点信息对整个覆盖区域的像素进行插值
   3. 片元着色器(Fragment Shader)：完全可编程。逐片元着色。
      • 输入是上一个阶段得到的顶点信息插值得到的结果
      • 包括纹理采样
   4. 逐片元操作(Per-Fragement Operations) / 输出合并阶段：可配置
      • 决定每个片元的可见性，涉及模版测试和深度测试
        读取当前片元位置的模版缓冲区的模版值（深度值），与读取的参考值（深度值）进行比较，这个比较函数的规则可以自定义
      • 如果一个片元通过了所有测试，这需要将片元的颜色值和已存储在颜色缓冲区中的颜色进行合并，同时根据是否开启深度写入，决定是否更将这个片元的深度值覆盖掉原有的深度值，这和透明效果息息相关
      • 如果没有通过测试，则之前的计算都白费
        • 所以上述顺序有时深度测试会放在片元着色器之前
      • 屏幕显示的就是颜色缓冲区的颜色值，但是为了避免看到那些正在光栅化的片元，GPU会使用双重缓冲（Double Buffering）的策略，一旦场景渲染到了后置缓冲中，GPU就会交换后置缓冲区和前置缓冲区中的内容