渲染管线入门

来源:https://blog.csdn.net/nikoong/article/details/79776873

渲染管线中一些技术名词大部分是英文直译,光看中文很容易被误导。所以我们必须在了解一个技术的具体作用之后,才能了解它到底是什么。这篇博客我主要翻译自Minh Tri Do Dinh的GPUs - Graphics Processing Units一文。也就是一些论坛里推荐给新手阅读的图形处理器架构(GPU_Architecture)与图形管线(Graphics_Pipeline)。在此之上我还添加一些注解,方便大家阅读。

基础名词

3D物体:任何物体,其几何形状都是由三角形组成的。三角形,或者任何图形,都由顶点组成。


顶点:具有空间坐标和其他信息(如颜色和纹理坐标)的点

纹理:映射到3D物体表面的图像,这会造成该物体由某种材料组成的幻觉。物体的顶点存储着纹理坐标(2维向量),用于指定纹理如何映射到任何给定表面。


齐次坐标:3D空间中的点通常需要3个坐标来指定位置。如果继续用3个坐标表示,有时会遇到问题。例如:顶点平移时的操作是加一个向量,顶点旋转时的操作是乘以3x3矩阵)。所以我们通过扩展三维向量来绕开这个问题。我们添加另一个坐标(w坐标,从而得到所谓的齐次坐标[注1]。这样一来,顶点的所有变换都可以通过将其四维坐标与特定的4x4矩阵相乘来进行,使得计算更容易。齐次坐标的另一个用途是明确区分向量和点。

渲染管线

渲染管线(Graphics pipeline/rendering pipeline),其实贴切的翻译应该是渲染流水线。渲染流水线就是将数据从3D场景转换成2D图像,最终在屏幕上显示出来的总过程。它分为几个阶段:应用阶段、几何阶段和光栅阶段。

应用阶段:主要是CPU与内存打交道,例如碰撞检测,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 。


几何阶段(Geometry Stage)

这个阶段也被称为“变换和光照”阶段。为了从3D场景转换到2D,场景中的所有物体都需要转换到几个空间。每个空间都有自己的坐标系。这些转换是通过一个空间的顶点转换到另一个空间的顶点来实现的。

光照(lighting),是这个阶段的另一个主要部分。是使用物体表面的法向量来计算的。通过摄像机的位置和光源的位置,可以计算出给定顶点的光照属性。


对于坐标系变换,我们从物体坐标系开始,每个物体都有自己的坐标系,这有利于几何变换,如平移,旋转和缩放。

之后,我们进入到世界坐标系,场景中的所有物体都具有统一的坐标系。

下一步是转换到视图空间,即摄像机坐标系。想象一下:先在世界空间中放一个虚拟摄像机,然后进行坐标变换,使得摄像机位于视图空间的原点,镜头对准z轴的方向。现在我们定义一个所谓的视体(view frustrum),它用来决定了我们能够通过虚拟的3D摄像机所能看到的场景,我们只需要把这些内容渲染出来就行。


之后,所有的顶点将被转换剪切空间,并通过图元装配,组装成图元(primitive,三角形或线)。当物体在视体的外,说明我们不需要渲染这个物体,所以就简单丢弃它。当一个物体有部分在视体内,我们需要进行剪切,同时生成新的顶点。新顶点具有适当的的纹理坐标和颜色坐标。

接着我们执行透视分割操作,其实就是实现了一个投影变换,把”近大远小“的效果实现出来。把一个视体转换为归一化的立方体。这个立方体的坐标范围:x和y在-1和1之间,z在0和1之间。同时视体内的物体也一同进行缩放。这样一来得到的立方体,便于裁剪操作,也便于将来投影到平面(立方体只需要“扁平化”)。


最后,我们转换到屏幕空间。执行的操作:根据窗口大小将x和y坐标缩放到合适的坐标,这样就得到2D图片了。(请注意,顶点的z坐标会保留,用于以后的深度操作)

请注意,除了剪裁之外纹理坐标也需要进行转换。还要注意除去不可见的表面[注2]。如出去立方体的背面,就是所谓的背面剔除。

光栅阶段(Rasterization Stage)

光栅这个名词不太好理解,新手可以想象成”透过一把梳子看世界“,类似于将连续的数据转化成离散的数据。这里光栅阶段是指矢量图形转化成像素点的过程。

GPU需要遍历2D图像并进行转换将数据转化为大量“像素候选”,即所谓的片段(Fragment,片段可以理解为像素的原型,但绝对不是指一大片像素)。片段是包含位置,颜色,深度,纹理坐标等属性的数据结构。片段可能会最终成为图像上的像素。片段是通过检查原始图元和和屏幕像素是否相交来生成的。如果一个片段与一个基元相交,但不与它的任何顶点相交,那么它的属性必须通过顶点之间的属性插值来计算得出。


最后还有一些步骤来得到最终的像素。最终像素颜色的计算:结合纹理和颜色、光照等其他属性,或片段与另一个半透明片段的结合(所谓的α混合),亦或是可选的雾化效果(另一个图形效果)。[注3]

注1:齐次坐标和四元数长得很像,但却是不同的概念,适用领域也不一样。

注2:可见性检查的一些具体操作:

  • 剪刀测试(检查矩形面罩的可见度)
  • 模板测试(类似于剪刀测试,仅针对缓冲区中的任意像素模板)
  • 深度测试(比较片段的z坐标,丢弃更远的片段)
  • Alpha测试(检查半透明碎片的可见度)

注3:在我们获得最终结果之前,可以应用像抗锯齿这样的附加程序:将一些像素写入内存供以后显示。

reference
GPUs - Graphics Processing Units
知乎:如何理解 OpenGL 中着色器、渲染管线、光栅化等概念?
OpenGL技术之View Volume, Viewport, Screen的关系
维基百科-齐次坐标
坐标系统

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