一、渲染的概念

渲染是指以軟件由模型生成圖像的過程

渲染管線(廣義)分為CPU應用程序端渲染邏輯和GPU渲染管線(通常我們說的渲染管線)

預渲染與實時渲染

• 預渲染：預渲染的計算強度很大，需要大量的服務器運算完成，渲染需要很長時間，通常用于電影制作等
• 實時渲染：實時渲染需要在一秒鐘內完成至少24幀圖像，如果想流暢就需要至少60幀圖像。所以實時渲染需要一些優化手段急速渲染過程。實時渲染通常通過圖形處理器（GPU）完成這個過程。

二、CPU(當相機調用render()時開始工作)

第一步 剔除（Culling）

1?? 視錐體剔除（Frustum Culling）

攝像機根據FOV(Field of View 視場角) 和遠近裁面形成一個錐臺，讓模型和這個錐臺進行碰撞檢測，如果沒有碰撞說明不在視野內，直接剔除，不需要渲染。

🎯 Tips 1: 有的模型表面的網格非常復雜（比如球體）

簡化處理：生成一個AABB包圍盒與錐臺進行碰撞檢測

2?? 遮擋剔除（Occlusion Culling）

3?? 層級剔除（Layer Culling Mask）

第二步 確定渲染順序—排序（Sort）

Render Queue 的數值越小，表示物體越先被渲染

如果Render Queue相等，會分成兩個渲染隊列，不透明渲染隊列和透明渲染隊列

1?? 不透明渲染隊列（Render Queue < 2500）

按攝像機距離從前到后排序

🍜Tips 1: Why?

這其實是一種優化，離得近的如果覆蓋了遮擋了距離遠的，那后者就可以不用渲染了

2?? 半透明渲染隊列（Render Queue > 2500）

按攝像機距離從后向前排序

🍜Tips 1: Why?

這是為了保證渲染結果的正確性

第三步 打包數據 發送給GPU

包含大量數據和參數

第四步 調用Shader：SetPassCall、DrawCall 發送給GPU

三、GPU

收到指令SetPassCall、DrawCall 和 CPU 傳送的打包數據

第一步 通過一系列工作將模型渲染成2D圖像

1?? 頂點處理

頂點Shader：將模型空間頂點轉換成裁剪空間，然后又硬件來將這些頂點映射到屏幕上（3D變2D）

• 最重要的任務：將頂點坐標從模型空間變換到裁剪空間
• 經過頂點Shader處理后，相機金字塔狀的視錐體被轉換變形成一個比例為221的立方體（CVV）
• 頂點Shader并不會產生2D圖像，僅使得場景中的3D對象產生變形效果

拍照過程：放置物體 -> 擺好相機 -> 摁下快門

通過矩陣完成以下空間變化

① 模型空間 -> 世界空間

② 世界空間 -> 相機空間

③ 相機空間 -> 裁剪空間

2?? 圖元裝配及光柵化（硬件操作階段）

圖元裝配：將點連接起來

光柵化：在圖元內部插入片元（類似還沒有顯示的像素）

光柵化之后3D徹底變成2D

具體操作

① 裁剪操作

對裁剪空間進行裁剪。與視錐體相交的部分會被裁剪不渲染部分并生成新的三角面，完全在外面的就直接裁剪掉

② 透視除法

將裁剪后的物體坐標縮放到標準化設備坐標(NDC)

③ 背面剔除

根據索引列表來判斷是否為背面。

④ 視口轉換

將標準化設備坐標轉化為屏幕坐標（只轉化x,y坐標）

⑤ 圖元裝配

前面的所有操作都是頂點操作，圖元裝配環節將點進行連線

⑥ 光柵化

生成在圖形內部生成片元

z坐標值會通過插值儲存為片元的深度值等各種數據來幫我們處理前后遮擋關系等

插值：我們知道兩邊界點的值，算出中間的值

3?? 片元處理

每一個片元都會調用自己的片元Shader進行計算

片元Shader：對片元進行著色 ------ 光照著色，紋理著色

紋理圖像：一個二維數組，利用文素地址儲存一組顏色值

• 紋理技術
  • 紋理采樣：給定一個數值，找對對應的像素地址顏色值
  • 紋理過濾機制：解決小圖->大屏幕問題
    • 常規處理:對中間的值直接四舍五入為最接近的值進行采樣：會失真（對應Unity中的Point）
    • 優化：對周圍四個值進行插值運算，最終結果會柔和很多(雙線性插值，對應Unity中的Bilinear)
  • Mipmap紋理鏈：解決大圖->映射到小塊區域問題 ------ 生成一系列不同大小的圖像，選用合適的來映射（對應Unity中的Generate Mip Maps）
  • 紋理尋址模式：確定紋理坐標查出文素地址范圍時的處理方法（對應Unity中的Wrap Mode）
  • 紋理壓縮格式：將我們傳入的圖片轉換為各種平臺能夠使用的壓縮格式，不同壓縮格式對最終結果有很大影響
• 光照計算
  • 光照形成
    • 直接光照：考慮的是光線到達
    • 間接光照
  • 光照模型
    • Phong光照模型：
      • 一個物體表面的顏色由三個因素決定：
      • 漫反射—反射出去的光線在各個方向上都是均等的
      • 鏡面反射 光滑度：決定衰減范圍
      • 環境光：間接光照
    • 基本框架—這些光照效果相加就是最終呈現的效果
      • 直接光漫反射
      • 直接光鏡面反射
      • 間接光漫反射
      • 間接光鏡面反射
      • More

4?? 輸出合并

處理遮擋關系和顏色混合等等，并完成輸出

• 最重要的任務：處理遮擋關系、處理半透明混合
• 通俗地講：片元通過重重考驗到達像素點位置的過程

流程：

① Alpha測試

檢測片元的Alpha值，如果太小就可以直接丟棄

② 模板測試

③ 深度測試

檢測片元的深度值：深度越小越應該渲染（小于深度緩沖區深度值才能寫入，寫入后更新深度緩沖區的深度值）

• ZWrite 深度寫入：關閉ZWrite后，通過深度測試之后的片元仍然寫入，但深度緩沖區不更新
• ZTest 深度測試：默認是小于深度緩沖區的值才能寫入，但可以強制修改
• Early-Z 提前深度測試：發生在頂點Shader之后，片元Shader之前。是一種優化

④ 混合

可以柔和地將片元都輸出到像素點，進行混合

• 從后到前(半透明混合之前提到過)
• 關閉ZWrite

🍪 Tips 1: Shader是什么？

Shader是運行在GPU上的一段可編程的程序

一個完整的Shader由頂點Shader和片元Shader組合而成

第二步 輸出到幀緩沖區

幀緩沖區相當于是臨時的畫布，當全部渲染完畢時，幀緩沖區的內容可以顯示到屏幕中

緩沖區分為顏色緩沖區、深度緩沖區和模板緩沖區

第三步 后處理操作

顯示到屏幕前，CPU可以拿到幀緩沖區的內容，進行二次修改（調色、Bloom等）然后再傳送給GPU渲染管線，最終才顯示在屏幕上

四、多個相機

每個相機會跑完整的渲染流程

相機通過Depth決定渲染順序，后渲染的可以通過Clear Flags確定是否清除前一個相機的渲染。

參考資料：視頻教程

總結

以上是生活随笔為你收集整理的渲染管线概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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