学习shader之前必须知道的东西——渲染管线

所谓GPU的渲染管线,听起来好像很高深的样子,其实我们可以把它理解为一个流程,就是我们告诉GPU一堆数据,最后得出来一副二维图像,而这些数据就包括了”视点、三维物体、光源、照明模型、纹理”等元素。
在各种图形学的书中,渲染管线主要分为三个阶段:应用程序阶段、几何阶段、光栅阶段。

1、应用程序阶段

这个阶段相对比较好理解,就比如我们在Unity里开发了一个游戏,其实很多底层的东西Unity都帮我们实现好了,例如碰撞检测、视锥剪裁等等,这个阶段主要是和CPU、内存打交道,在把该计算的都计算完以后,在这个阶段的末端,这些计算好的数据(顶点坐标、法向量、纹理坐标、纹理)就会通过数据总线传给图形硬件,作为我们进一步处理的源数据。

2、几何阶段

主要负责顶点坐标变换、光照、裁剪、投影以及屏幕映射,改阶段基于GPU进行运算,在该阶段的末端得到了经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色、以及纹理坐标。简而言之,几何阶段的主要工作就是“变换三维顶点坐标”和“光照计算”。

问题随之而来,为什么要变换顶点坐标?我是这么理解的,比如你有一个三维游戏场景,场景中的每个模型都可以用一个向量来确定它的位置,但如何让计算机根据这些坐标把模型正确的、有层次的画在屏幕上?这就是我们需要变换三维顶点坐标的原因,最终目的就是让GPU可以将这些三维数据绘制到二维屏幕上。

根据顶点坐标变换的先后顺序,主要有如下几个坐标空间:Object space,模型坐标空间;World space,世界坐标空间;Eye space,观察坐标空间;Clip and Project space,屏幕坐标空间。下图就是GPU的整个处理流程,深色区域就是顶点坐标空间的变换流程,大家了解一下即可,我们需要关注的是每个坐标空间的具体含义和坐标空间之间转换的方法。

学习shader之前必须知道的东西——渲染管线

2.1、从object space到world space

object space有两层核心含义,第一,object space中的坐标值就是模型文件中的顶点值,这些值是在建立模型时得到的,例如一个.max文件,里面包含的数据就是object space的坐标。第二,object space的坐标与其他物体没有任何参照关系,这是object space和world space区分的关键。world space坐标的实际意义就有有一个坐标原点,物体跟坐标原点相比较才能知道自己的确切位置。例如在unity中,我们将一个模型导入到场景中以后,它的transform就是世界坐标。

2.2、从world space到eye space

所谓eye space,就是以摄像机为原点,由视线方向、视角和远近平面,共同组成的一个梯形体,如下图,称之为视锥(viewing frustum)。近平面,是梯形体较小的矩形面,也是靠近摄像机的平面,远平面就是梯形体较大的矩形,作为投影平面。在这个梯形体的内的数据是可见的,超出的部分会被视点去除,也叫视锥剪裁。

例如在游戏中的漫游功能,屏幕的内容随摄像机的移动而变化,这是因为GPU将物体的顶点坐标从world space转换到了eye space。

学习shader之前必须知道的东西——渲染管线

2.3、从eye space到project and clip space

eye space坐标转换到project and clip space坐标的过程其实就是一个投影、剪裁、映射的过程。因为在不规则的视锥体内剪裁是一件非常困难的事,所以前人们将剪裁安排到一个单位立方体中进行,这个立方体被称为规范立方体(CCV),CVV的近平面(对应视锥体的近平面)的x、y坐标对应屏幕像素坐标(左下角0、0),z代表画面像素深度。所以这个转换过程事实上由三步组成:

(1)用透视变换矩阵把顶点从视锥体变换到CVV中;
(2)在CVV内进行剪裁;
(3)屏幕映射:将经过前两步得到的坐标映射到屏幕坐标系上。

2.4、primitive assembly(图元装配)和triangle setup(三角形处理)

到目前为止我们得到了一堆顶点的数据,这一步就是根据这些顶点的原始连接关系还原出网格结构。网格由顶点和索引组成,这个阶段就是根据索引将顶点链接到一起,组成线、面单元,然后进行剪裁,如果一个三角形超出屏幕以外,例如两个顶点在屏幕内,一个顶点在屏幕外,这时我们在屏幕上看到的就是一个四边形,然后把这个四边形切成两个小的三角形。

现在我们得到了一堆在屏幕坐标上的三角形面片,这些面片是用于光栅化的。

3、光栅化阶段

经过上面的步骤之后,我们得到了每个点的屏幕坐标值,和我们需要绘制的图元,但此时还有两个问题:
(1)屏幕坐标是浮点数,但像素是用整数来表示的,如何确定屏幕坐标值所对应的像素?
(2)如何根据已确定位置的点,在屏幕上画出线段或者三角形?

对于问题1,绘制的位置只能接近两指定端点间的实际线段位置,例如,一条线段的位置是(10.48, 20.51),转换为像素位置就是(10,21)。

问题2,涉及到具体的画线和填充算法,有兴趣的话可以研究。
这个过程结束后,顶点和图元已经对应到像素,之后的流程就是如何处理像素,即给像素赋予颜色值。
给像素赋予颜色的阶段称为Pixel Operation,是在更新帧缓存之前,执行最后一系列针对每个片段的操作,其目的是计算出每个像素的颜色值。在这个阶段,被遮挡的面通过一个被称为深度测试的过程消除。

pixel operation包含下面这些流程:

(1)消除遮挡面;
(2)Texture operation,纹理操作,根据像素的纹理坐标,查询对应的纹理值;
(3)Blending,通常称为alpha blending,根据目前已经画好的颜色,与正在计算的颜色的alpha值混合,形成新的颜色。
(4)Filtering,将正在计算的颜色经过某种滤镜后输出。
该阶段之后,像素的颜色值被写入帧缓存中。

转自:oayx - 博客园

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