什么是渲染管線

渲染管線（渲染流水線）是將三維場(chǎng)景模型轉(zhuǎn)換到屏幕像素空間輸出的過程。圖形渲染管線主要包括兩個(gè)功能：一是將物體3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊豢臻g2D坐標(biāo)，二是為屏幕每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行著色。

渲染管線的流程

渲染管線的一般流程如下圖所示。分別是：頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入、頂點(diǎn)著色器、曲面細(xì)分過程、幾何著色器、圖元組裝、裁剪剔除、光柵化、片段著色器以及混合測(cè)試。

此外還可以抽象為4個(gè)階段

應(yīng)用階段：由CPU主要負(fù)責(zé)的階段，且完全由開發(fā)人員掌控。CPU將決定遞給GPU什么樣的數(shù)據(jù)（目標(biāo)場(chǎng)景的燈光、模型），有時(shí)候還會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（將攝像機(jī)不可見的元素被**剔除（culling）**出去），并且告訴GPU這些數(shù)據(jù)的渲染狀態(tài)（譬如紋理、材質(zhì)、著色器等）。

這一階段最重要的輸出是渲染所需的幾何信息，即渲染圖元（通俗來講可以是點(diǎn)、線、面等）

幾何階段：負(fù)責(zé)大部分多邊形操作和頂點(diǎn)操作，將三維空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維空間的數(shù)據(jù)。

光柵化階段：決定每個(gè)渲染圖元中哪些像素應(yīng)該被繪制在屏幕上，它需要對(duì)上一階段得到的逐頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值

像素處理階段：給每一個(gè)像素正確配色，最后繪制出整幅圖像

應(yīng)用程序階段在CPU端完成，后面的所有階段都是在GPU端完成（所以又稱GPU渲染管線）

特點(diǎn)

渲染管線的一個(gè)特點(diǎn)就是每個(gè)階段都會(huì)把前一個(gè)階段的輸出作為該階段的輸入。

例如，片段著色器會(huì)將光柵化后的片段(以及片段的數(shù)據(jù)塊)作為輸入進(jìn)行光照計(jì)算。除了圖元組裝和光柵化幾個(gè)階段是由硬件自動(dòng)完成之外，管線的其他階段管線都是可編程/可配置的。

各個(gè)階段的功能

應(yīng)用階段

渲染管線的起點(diǎn)是CPU，CPU與GPU的通信即上文的應(yīng)用階段

（1）把數(shù)據(jù)加載到顯存：將數(shù)據(jù)加載到顯存中能使GPU更快的訪問這些數(shù)據(jù)，當(dāng)把數(shù)據(jù)加載到顯存后，便可以釋放了數(shù)據(jù)，但一些數(shù)據(jù)仍需留在內(nèi)存中，如CPU需要網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。
（2）設(shè)置渲染狀態(tài)：渲染狀態(tài)的一個(gè)通俗解釋就是，定義了場(chǎng)景中的網(wǎng)格是怎樣被渲染的。例如，使用哪個(gè)頂點(diǎn)著色器/片段著色器、光源屬性、材質(zhì)等。如果不設(shè)置渲染狀態(tài)，那所有的網(wǎng)格將使用同一種渲染，顯然這是不希望得到的結(jié)果。
（3）調(diào)用Draw Call：當(dāng)所有的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，CPU就需要調(diào)用一個(gè)渲染指令告訴GPU，按照上述設(shè)置進(jìn)行渲染，這個(gè)渲染命令就是Draw Call。Draw Call命令僅僅指向被渲染的圖元列表，而不包含任何材質(zhì)信息

在實(shí)際的渲染中，GPU的渲染速度往往超過了CPU提交命令的速度，這導(dǎo)致渲染中大部分時(shí)間都消耗在了CPU提交Draw Call上。有一種解決這種問題的方法是使用批處理（Batching），即把要渲染的模型合并在一起提交給GPU

GPU渲染管線

綠色表示開發(fā)者可以完全編程控制的部分，虛線外框表示此階段不是必需的，黃色表示開發(fā)者無法完全控制的部分（但可以進(jìn)行一些配置），紫色表示開發(fā)者無法控制的階段（已經(jīng)由GPU固定實(shí)現(xiàn)）

幾何階段

頂點(diǎn)著色器

頂點(diǎn)著色器的處理單位是頂點(diǎn)，但是每次處理都是獨(dú)立的，因此無法創(chuàng)建或銷毀任何一個(gè)頂點(diǎn)，也不能得到與其他頂點(diǎn)的關(guān)系

頂點(diǎn)著色器主要功能是進(jìn)行坐標(biāo)變換。將輸入的局部坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)、觀察坐標(biāo)和裁剪坐標(biāo)。

雖然我們也會(huì)在頂點(diǎn)著色器進(jìn)行光照計(jì)算(稱作高洛德著色)，然后經(jīng)過光柵化插值得到各個(gè)片段的顏色，但這種得到的光照比較不自然，所以一般在片段著色器進(jìn)行光照計(jì)算

曲面細(xì)分著色器

曲面細(xì)分是利用鑲嵌化處理技術(shù)對(duì)三角面進(jìn)行細(xì)分，以此來增加物體表面的三角面的數(shù)量，是渲染管線一個(gè)可選的階段

幾何著色器

在這個(gè)階段，開發(fā)者可以控制GPU對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行增刪改操作

投影

GPU將頂點(diǎn)從攝像機(jī)觀察空間轉(zhuǎn)換到裁剪空間（又被稱為齊次裁剪空間），為之后的剔除過程以及投射到二維平面做準(zhǔn)備。

常見的投影方式有透視投影與正交投影。

在三維中原有的三個(gè)分量x、y、z上又額外增加了w=1分量，使得可以通過矩陣乘的方式為三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)平移的效果。

裁剪

只有當(dāng)圖元部分或全部位于視椎體內(nèi)時(shí)，我們才會(huì)將它送到流水線的下個(gè)階段，也就是光柵化階段。對(duì)于部分位于視椎體的圖元，位于外部的頂點(diǎn)將被裁剪掉，而且在視椎體與線段的交界處產(chǎn)生新的頂點(diǎn)。

在把不需要的頂點(diǎn)裁剪掉后，GPU需要把頂點(diǎn)映射到屏幕空間，這是一個(gè)從三維空間轉(zhuǎn)換到二維空間的操作。

• 對(duì)于透視裁剪空間，GPU需要對(duì)裁剪空間中的頂點(diǎn)執(zhí)行齊次除法（將齊次坐標(biāo)系中的w分量除x、y、z分量），得到頂點(diǎn)的歸一化的設(shè)備坐標(biāo)（NDC）

  通過透視除法后，我們得到了NDC坐標(biāo)，獲得NDC坐標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換與硬件無關(guān)。

• 正交裁剪空間只需要把w分量去掉即可。

此時(shí)頂點(diǎn)的x、y坐標(biāo)接近于在屏幕上所處的位置了，此時(shí)z分量不會(huì)被丟棄而是被寫入了深度緩沖（z-buffer）

屏幕映射

屏幕映射的任務(wù)就是將每個(gè)圖元的x、y值變換到屏幕坐標(biāo)系，對(duì)于z坐標(biāo)不做任何處理（實(shí)際上屏幕坐標(biāo)系和z坐標(biāo)一起構(gòu)成窗口坐標(biāo)系），這些值會(huì)被一起傳遞到光柵化階段

一般來說，屏幕坐標(biāo)是2D的概念，只用于表示屏幕XY坐標(biāo)，而窗口坐標(biāo)是2.5D的概念，它還帶有深度信息，也就是經(jīng)過變換后的Z軸的信息。

使用齊次坐標(biāo)的意義，其實(shí)就是為了正確記錄下投影變換前(觀察空間)中物體的深度信息，也就是Z坐標(biāo)的值。

光柵化階段

光柵化會(huì)確定圖元所覆蓋的片段，利用頂點(diǎn)屬性插值得到片段的屬性信息，然后送到片段著色器進(jìn)行顏色計(jì)算，我們這里需要注意到片段是像素的候選者，只有通過后續(xù)的測(cè)試，片段才會(huì)成為最終顯示的像素點(diǎn)。

三角形設(shè)置（Triangle Setup）

這個(gè)過程做的工作就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)收集并組裝為簡(jiǎn)單的基本體（線、點(diǎn)或三角形）

三角形遍歷（Triangle Traversal）

這個(gè)過程將檢驗(yàn)屏幕上的某個(gè)像素是否被一個(gè)三角形網(wǎng)格所覆蓋，被覆蓋的區(qū)域?qū)⑸梢粋€(gè)片元（Fragment）

片元不是真正意義上的像素，而是包含了很多種狀態(tài)的集合（譬如屏幕坐標(biāo)、深度、法線、紋理等）

而片元的劃分依據(jù)（像素塊被覆蓋到何種程度才被劃分）不管怎么樣都會(huì)產(chǎn)生鋸齒，這就有許多抗鋸齒的采樣方式（比如MSAA）

片段著色器

片元著色器的輸入是上一個(gè)階段對(duì)頂點(diǎn)信息進(jìn)行插值的結(jié)果（是根據(jù)從頂點(diǎn)著色器輸出的數(shù)據(jù)插值得到的），而它的輸出是像素顏色值

這個(gè)階段我們能進(jìn)行很多渲染技術(shù)，比如根據(jù)頂點(diǎn)法線或者UV計(jì)算顏色，接受陰影或者是進(jìn)行紋理采樣（紋理坐標(biāo)是通過前述階段的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到的）

逐片元計(jì)算

對(duì)每個(gè)片元進(jìn)行操作，將它們的顏色以某種形式合并，得到最終在屏幕上像素顯示的顏色。主要的工作有兩個(gè)：對(duì)片元進(jìn)行測(cè)試（Test）并進(jìn)行合并（Merge）。

測(cè)試步驟決定了片元最終會(huì)不會(huì)被顯示出來，這個(gè)階段是高度可配置的

如果一個(gè)片元通過了所有測(cè)試，就需要把這些片元的顏色值和顏色緩沖中已有的顏色值進(jìn)行混合。

裁切測(cè)試

在裁剪測(cè)試中，允許程序員開設(shè)一個(gè)裁剪框，只有在裁剪框內(nèi)的片元才會(huì)被顯示出來，在裁剪框外的片元皆被剔除。

模板測(cè)試

模板測(cè)試通常用來限制渲染的區(qū)域，渲染陰影，輪廓渲染等

在模板測(cè)試中，GPU將讀取片元的模板值與模板緩沖區(qū)的模板值進(jìn)行比較，比較函數(shù)由開發(fā)者指定，如果比較不通過，這個(gè)片元將被舍棄

深度測(cè)試

現(xiàn)實(shí)生活中，近的物體會(huì)遮擋住遠(yuǎn)處的物體，深度緩沖就是用來實(shí)現(xiàn)這種效果的。

GPU將讀取片元的深度值（就是我們前面留下來的坐標(biāo)z分量）與緩沖區(qū)的深度值進(jìn)行比較，和模板測(cè)試一樣，如何渲染物體之間的遮擋關(guān)系也是自定義的（可以讓GPU把沒有被遮擋的部分隱藏了，讓被遮擋的部分顯示出來的。）

大量的被遮擋片元直到深度測(cè)試階段才會(huì)被剔除，而在此之前它們同樣地被計(jì)算，這占用了GPU大量的資源。

因此有種優(yōu)化技術(shù)是將深度測(cè)試提前（Early-Z）。但這帶來了與透明度測(cè)試的沖突，例如某個(gè)片元甲雖然遮擋了另一個(gè)片元乙，但甲卻是透明的，GPU應(yīng)當(dāng)渲染的是片元乙，這就產(chǎn)生了矛盾，這就是透明度測(cè)試會(huì)導(dǎo)致性能下降的原因

合并

一個(gè)片元通過了所有測(cè)試，片元顏色就會(huì)被送到顏色緩沖區(qū)，到達(dá)了合并環(huán)節(jié)

合并有兩種主要的方式，一種是直接進(jìn)行顏色的替換，另一種是根據(jù)不透明度進(jìn)行混合（Blend）

如果開啟了混合，GPU會(huì)取出片元著色器得到的顏色（源顏色）和顏色緩沖區(qū)存在的顏色（目標(biāo)顏色），之后按照設(shè)定的函數(shù)進(jìn)行混合，可以設(shè)定透明度通道進(jìn)行相加，相減還是相乘。

最后GPU會(huì)使用雙重緩沖（Double Buffering）的策略，即屏幕上顯示前置緩沖（Front Buffer），而渲染好的顏色先被送入后置緩沖（Back Buffer），再替換前置緩沖，以此避免在屏幕上顯示正在光柵化的圖元

渲染管線中的坐標(biāo)系變換

• 我們從建模工具得到的是物體的局部坐標(biāo)(Local Coordinate)，
• 局部坐標(biāo)通過模型矩陣Model變換到世界坐標(biāo)(World Coordinate)，

? 光照計(jì)算一般都是在世界空間進(jìn)行的，所以輸入的頂點(diǎn)坐標(biāo)需要通過乘以模型矩陣變換到世界空間。在模型變換時(shí)，通常還需要將法線變換到世界空間中，對(duì)于法線變換不能簡(jiǎn)單的使用模型變換矩陣來變換法線，對(duì)于包含非均勻縮放的變換，需要求解模型變換的逆轉(zhuǎn)置矩陣

• 世界坐標(biāo)通過觀察矩陣View變換到觀察坐標(biāo)(View Coordinate)，

  虛擬攝像機(jī)定義了我們的觀察空間。虛擬攝像機(jī)的位置是坐標(biāo)的原點(diǎn)，觀察方向沿著Z軸的負(fù)方向。我們可以通過攝像機(jī)的位置(EyePosition)、觀察目標(biāo)點(diǎn)(FocusPosition)和向上的方向向量(UpDirection)來構(gòu)建觀察矩陣。

• 觀察坐標(biāo)經(jīng)過投影矩陣Projection變換到裁剪坐標(biāo)(Clip Coordinate)，

  ? 裁剪空間的目標(biāo)是能夠方便的對(duì)圖元進(jìn)行裁剪，這塊空間是由視錐體決定的，視錐體外為看不到的區(qū)域，也就是被裁剪的部分。當(dāng)時(shí)不同的視錐體有不同的處理過程，而且透視投影判斷點(diǎn)是否在視錐體內(nèi)比較麻煩，通過一個(gè)投影矩陣將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換到裁剪空間中是一種通用、方便的方式。——常見的投影矩陣有透視投影和正交投影

  ? 投影矩陣并沒有真正的進(jìn)行投影工作，而是為投影做準(zhǔn)備，真正的投影發(fā)生在齊次除法過程中，這發(fā)生在屏幕空間映射階段

• 裁剪坐標(biāo)經(jīng)過透射除法(Perspective Division)得到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備空間(Normalized Device Coordinates，NDC)，

• NDC坐標(biāo)通過視口變換(Viewport Transformation)變換到窗口坐標(biāo)進(jìn)行顯示

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的渲染管线概论的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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