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這篇文章是解析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界“九陰真經(jīng)總綱”一般存在的《Real-Time Rendering 3rd》系列文章的第二篇。將帶來(lái)RTR3第二章內(nèi)容“Chapter 2 The Graphics Rendering Pipeline 圖形渲染管線(xiàn)”的總結(jié)、概括與提煉。

文章分為全文內(nèi)容思維導(dǎo)圖、核心內(nèi)容分章節(jié)提煉、本章內(nèi)容提煉總結(jié)三個(gè)部分來(lái)呈現(xiàn)，其中：

• 文章的第一部分，“全文內(nèi)容思維導(dǎo)圖”，分為“章節(jié)框架思維導(dǎo)圖”和“知識(shí)結(jié)構(gòu)思維導(dǎo)圖”兩個(gè)部分。
• 文章的第二部分，“核心內(nèi)容分節(jié)提煉”，是按原書(shū)章節(jié)順序分布的知識(shí)梳理。
• 而文章的第三部分“本章內(nèi)容提煉總結(jié)”，則是更加精煉，只提煉出關(guān)鍵信息的知識(shí)總結(jié)。

一、全文內(nèi)容思維導(dǎo)圖

1.章節(jié)框架思維導(dǎo)圖

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2.知識(shí)結(jié)構(gòu)思維導(dǎo)圖

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二、核心內(nèi)容分節(jié)提煉

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2.1 圖像渲染管線(xiàn)架構(gòu)概述 Architecture

渲染管線(xiàn)的主要功能就是決定在給定虛擬相機(jī)、三維物體、光源、照明模式，以及紋理等諸多條件的情況下，生成或繪制一幅二維圖像的過(guò)程。對(duì)于實(shí)時(shí)渲染來(lái)說(shuō)，渲染管線(xiàn)就是基礎(chǔ)。因此，我們可以說(shuō)，渲染管線(xiàn)是實(shí)時(shí)渲染的底層工具。

圖2.1展示了使用渲染管線(xiàn)步驟。渲染出的圖像的位置、形狀是由它們的幾何形狀，環(huán)境特性，攝像機(jī)位置決定的。而物體的外觀由材質(zhì)特性，光源，紋理和著色模型確定。

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原書(shū)圖2.1 左圖中，相機(jī)放在棱椎的頂端（四條線(xiàn)段的交匯點(diǎn)），只有可視體內(nèi)部的圖元會(huì)被渲染。

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在概念上可以將圖形渲染管線(xiàn)分為三個(gè)階段：

• 應(yīng)用程序階段（The Application Stage）
• 幾何階段（The Geometry Stage）
• 光柵化階段（The Rasterizer Stage）

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如下圖：

原書(shū)圖2.2 繪制管線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)包括3個(gè)階段：應(yīng)用程序、幾何、光柵化。

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幾個(gè)要點(diǎn)：

• 每個(gè)階段本身也可能是一條管線(xiàn)，如圖中的幾何階段所示。此外，還可以對(duì)有的階段進(jìn)行全部或者部分的并行化處理，如圖中的光柵化階段。應(yīng)用程序階段雖然是一個(gè)單獨(dú)的過(guò)程，但是依然可以對(duì)之進(jìn)行管線(xiàn)化或者并行化處理。
• 最慢的管線(xiàn)階段決定繪制速度，即圖像的更新速度，這種速度一般用FPS來(lái)表示，也就是每秒繪制的圖像數(shù)量，或者用Hz來(lái)表示。

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2.2 應(yīng)用程序階段 The Application Stage

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• 應(yīng)用程序階段一般是圖形渲染管線(xiàn)概念上的第一個(gè)階段。應(yīng)用程序階段是通過(guò)軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的階段，開(kāi)發(fā)者能夠?qū)υ撾A段發(fā)生的情況進(jìn)行完全控制，可以通過(guò)改變實(shí)現(xiàn)方法來(lái)改變實(shí)際性能。其他階段，他們?nèi)炕蛘卟糠纸⒃谟布A(chǔ)上，因此要改變實(shí)現(xiàn)過(guò)程會(huì)非常困難。
• 正因應(yīng)用程序階段是軟件方式實(shí)現(xiàn)，因此不能像幾何和光柵化階段那樣繼續(xù)分為若干個(gè)子階段。但為了提高性能，該階段還是可以在幾個(gè)并行處理器上同時(shí)執(zhí)行。在CPU設(shè)計(jì)上，稱(chēng)這種形式為超標(biāo)量體系（superscalar）結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢栽谕浑A段同一時(shí)間做不同的幾件事情。
• 應(yīng)用程序階段通常實(shí)現(xiàn)的方法有碰撞檢測(cè)、加速算法、輸入檢測(cè)，動(dòng)畫(huà)，力反饋以及紋理動(dòng)畫(huà)，變換仿真、幾何變形，以及一些不在其他階段執(zhí)行的計(jì)算，如層次視錐裁剪等加速算法就可以在這里實(shí)現(xiàn)。
• 應(yīng)用程序階段的主要任務(wù)：在應(yīng)用程序階段的末端，將需要在屏幕上（具體形式取決于具體輸入設(shè)備）顯示出來(lái)繪制的幾何體（也就是繪制圖元，rendering primitives，如點(diǎn)、線(xiàn)、矩形等）輸入到繪制管線(xiàn)的下一個(gè)階段。
• 對(duì)于被渲染的每一幀，應(yīng)用程序階段將攝像機(jī)位置，光照和模型的圖元輸出到管線(xiàn)的下一個(gè)主要階段——幾何階段。

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2.3 幾何階段 The Geometry Stage

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幾何階段主要負(fù)責(zé)大部分多邊形操作和頂點(diǎn)操作。可以將這個(gè)階段進(jìn)一步劃分成如下幾個(gè)功能階段：

• 模型視點(diǎn)變換Model & View Transform
• 頂點(diǎn)著色Vertex Shading
• 投影 Projection
• 裁剪 Clipping
• 屏幕映射Screen Mapping

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如圖2.3所示。

原書(shū)圖2.3 幾何階段細(xì)分為的功能階段管線(xiàn)

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需要注意：

• 根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)，這些階段可以和管線(xiàn)階段等同，也可以不等同。在一些情況下，一系列連續(xù)的功能階段可以形成單個(gè)管線(xiàn)階段（和其他管線(xiàn)階段并行運(yùn)行）。在另外情況下，一個(gè)功能階段可以劃分成其他更細(xì)小的管線(xiàn)階段。
• 幾何階段執(zhí)行的是計(jì)算量非常高的任務(wù)，在只有一個(gè)光源的情況下，每個(gè)頂點(diǎn)大約需要100次左右的精確的浮點(diǎn)運(yùn)算操作。

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2.3.1 模型和視圖變換 Model and View Transform

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• 在屏幕上的顯示過(guò)程中，模型通常需要變換到若干不同的空間或坐標(biāo)系中。模型變換的變換對(duì)象一般是模型的頂點(diǎn)和法線(xiàn)。物體的坐標(biāo)稱(chēng)為模型坐標(biāo)。世界空間是唯一的，所有的模型經(jīng)過(guò)變換后都位于同一個(gè)空間中。
• 不難理解，應(yīng)該僅對(duì)相機(jī)（或者視點(diǎn)）可以看到的模型進(jìn)行繪制。而相機(jī)在世界空間中有一個(gè)位置方向，用來(lái)放置和校準(zhǔn)相機(jī)。
• 為了便于投影和裁剪，必須對(duì)相機(jī)和所有的模型進(jìn)行視點(diǎn)變換。變換的目的就是要把相機(jī)放在原點(diǎn)，然后進(jìn)行視點(diǎn)校準(zhǔn)，使其朝向Z軸負(fù)方向，y軸指向上方,x軸指向右邊。在視點(diǎn)變換后，實(shí)際位置和方向就依賴(lài)于當(dāng)前的API。我們稱(chēng)上述空間為相機(jī)空間或者觀察空間。

下圖顯示了視點(diǎn)變換對(duì)相機(jī)和模型的影響。

原書(shū)圖2.4 在左圖中，攝像機(jī)根據(jù)用戶(hù)指定的位置進(jìn)行放置和定位。在右圖中，視點(diǎn)變換從原點(diǎn)沿著Z軸負(fù)方向?qū)ο鄼C(jī)重新定位，這樣可以使裁剪和投影操作更簡(jiǎn)單、更快速。可視范圍是一個(gè)平截椎體，因此可以認(rèn)為它是透視模式。

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【總結(jié)】模型和視圖變換階段分為模型變換和視圖變換。模型變換的目的是將模型變換到適合渲染的空間當(dāng)中，而視圖變換的目的是將攝像機(jī)放置于坐標(biāo)原點(diǎn)，方便后續(xù)步驟的操作。

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2.3.2 頂點(diǎn)著色 Vertex Shading

為了產(chǎn)生逼真的場(chǎng)景，渲染形狀和位置是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們需要對(duì)物體的外觀進(jìn)行建模。而物體經(jīng)過(guò)建模，會(huì)得到對(duì)包括每個(gè)對(duì)象的材質(zhì)，以及照射在對(duì)象上的任何光源的效果在內(nèi)的一些描述。且光照和材質(zhì)可以用任意數(shù)量的方式，從簡(jiǎn)單的顏色描述到復(fù)雜的物理描述來(lái)模擬。

確定材質(zhì)上的光照效果的這種操作被稱(chēng)為著色（shading），著色過(guò)程涉及在對(duì)象上的各個(gè)點(diǎn)處計(jì)算著色方程（shading equation）。通常，這些計(jì)算中的一些在幾何階段期間在模型的頂點(diǎn)上執(zhí)行（vertex shading），而其他計(jì)算可以在每像素光柵化（per-pixel rasterization）期間執(zhí)行。可以在每個(gè)頂點(diǎn)處存儲(chǔ)各種材料數(shù)據(jù)，諸如點(diǎn)的位置，法線(xiàn)，顏色或計(jì)算著色方程所需的任何其它數(shù)字信息。頂點(diǎn)著色的結(jié)果（其可以是顏色，向量，紋理坐標(biāo)或任何其他種類(lèi)的陰著色數(shù)據(jù)）計(jì)算完成后，會(huì)被發(fā)送到光柵化階段以進(jìn)行插值操作。

通常，著色計(jì)算通常認(rèn)為是在世界空間中進(jìn)行的。在實(shí)踐中，有時(shí)需要將相關(guān)實(shí)體（諸如相機(jī)和光源）轉(zhuǎn)換到一些其它空間（諸如模型或觀察空間）并在那里執(zhí)行計(jì)算，也可以得到正確的結(jié)果。

這是因?yàn)槿绻^(guò)程中所有的實(shí)體變換到了相同的空間，著色計(jì)算中需要的諸如光源，相機(jī)和模型之間的相對(duì)關(guān)系是不會(huì)變的。

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【總結(jié)】頂點(diǎn)著色階段的目的在于確定模型上頂點(diǎn)處材質(zhì)的光照效果。

2.3.3 投影 Projection

在光照處理之后，渲染系統(tǒng)就開(kāi)始進(jìn)行投影操作，即將視體變換到一個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)分別是(-1,-1,-1)和(1,1,1)單位立方體（unit cube）內(nèi)，這個(gè)單位立方體通常也被稱(chēng)為規(guī)范立方體（Canonical View Volume，CVV）。

目前，主要有兩種投影方法，即：

• 正交投影（orthographic projection，或稱(chēng)parallel projection）。
• 透視投影（perspective projection）。

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如下圖所示。

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原書(shū)圖2.5 左邊為正交投影，右邊為透視投影

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兩種投影方式的主要異同點(diǎn)：

• 正交投影。正交投影的可視體通常是一個(gè)矩形，正交投影可以把這個(gè)視體變換為單位立方體。正交投影的主要特性是平行線(xiàn)在變換之后彼此之間仍然保持平行，這種變換是平移與縮放的組合。
• 透視投影。相比之下，透視投影比正交投影復(fù)雜一些。在這種投影中，越遠(yuǎn)離攝像機(jī)的物體，它在投影后看起來(lái)越小。更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，平行線(xiàn)將在地平線(xiàn)處會(huì)聚。透視投影的變換其實(shí)就是模擬人類(lèi)感知物體的方式。
• 正交投影和透視投影都可以通過(guò)4 x 4的矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，在任何一種變換之后，都可以認(rèn)為模型位于歸一化處理之后的設(shè)備坐標(biāo)系中。

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雖然這些矩陣變換是從一個(gè)可視體變換到另一個(gè)，但它們?nèi)员环Q(chēng)為投影，因?yàn)樵谕瓿娠@示后，Z坐標(biāo)將不會(huì)再保存于的得到的投影圖片中。通過(guò)這樣的投影方法，就將模型從三維空間投影到了二維的空間中。

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【總結(jié)】投影階段就是將模型從三維空間投射到了二維的空間中的過(guò)程。

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2.3.4 ?裁剪 Clipping

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只有當(dāng)圖元完全或部分存在于視體（也就是上文的規(guī)范立方體，CVV）內(nèi)部的時(shí)候，才需要將其發(fā)送到光柵化階段，這個(gè)階段可以把這些圖元在屏幕上繪制出來(lái)。

不難理解，一個(gè)圖元相對(duì)視體內(nèi)部的位置，分為三種情況：完全位于內(nèi)部、完全位于外部、部分位于內(nèi)部。所以就要分情況進(jìn)行處理：

• 當(dāng)圖元完全位于視體內(nèi)部，那么它可以直接進(jìn)行下一個(gè)階段。
• 當(dāng)圖元完全位于視體外部，不會(huì)進(jìn)入下一個(gè)階段，可直接丟棄，因?yàn)樗鼈儫o(wú)需進(jìn)行渲染。
• 當(dāng)圖元部分位于視體內(nèi)部，則需要對(duì)那些部分位于視體內(nèi)的圖元進(jìn)行裁剪處理。

對(duì)部分位于視體內(nèi)部的圖元進(jìn)行裁剪操作，這就是裁剪過(guò)程存在的意義。裁剪過(guò)程見(jiàn)下圖。

原書(shū)圖2.6 投影變換后，只對(duì)單位立方體內(nèi)的圖元（相應(yīng)的是視錐內(nèi)可見(jiàn)圖元）繼續(xù)進(jìn)行處理，因此，將單位立方體之外的圖元剔除掉，保留單位立方體內(nèi)部的圖元，同時(shí)沿著單位立方體將與單位立方體相交的圖元裁剪掉，因此，就會(huì)產(chǎn)生新的圖元，同時(shí)舍棄舊的圖元。

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【總結(jié)】裁剪階段的目的，就是對(duì)部分位于視體內(nèi)部的圖元進(jìn)行裁剪操作。

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2.3.5 屏幕映射 Screen Mapping

只有在視體內(nèi)部經(jīng)過(guò)裁剪的圖元，以及之前完全位于視體內(nèi)部的圖元，才可以進(jìn)入到屏幕映射階段。進(jìn)入到這個(gè)階段時(shí)，坐標(biāo)仍然是三維的（但顯示狀態(tài)在經(jīng)過(guò)投影階段后已經(jīng)成了二維），每個(gè)圖元的x和y坐標(biāo)變換到了屏幕坐標(biāo)系中，屏幕坐標(biāo)系連同z坐標(biāo)一起稱(chēng)為窗口坐標(biāo)系。

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假定在一個(gè)窗口里對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行繪制，窗口的最小坐標(biāo)為（x1，y1），最大坐標(biāo)為（x2，y2），其中x1<x2，y1<y2。屏幕映射首先進(jìn)行平移，隨后進(jìn)行縮放，在映射過(guò)程中z坐標(biāo)不受影響。新的x和y坐標(biāo)稱(chēng)為屏幕坐標(biāo)系，與z坐標(biāo)一起（-1≦ z ≦ 1）進(jìn)入光柵化階段。如下圖：

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原書(shū)圖2.8 經(jīng)過(guò)投影變換，圖元全部位于單位立方體之內(nèi)，而屏幕映射主要目的就是找到屏幕上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)

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屏幕映射階段的一個(gè)常見(jiàn)困惑是整型和浮點(diǎn)型的點(diǎn)值如何與像素坐標(biāo)（或紋理坐標(biāo)）進(jìn)行關(guān)聯(lián)。可以使用Heckbert[書(shū)后參考文獻(xiàn)第520篇]的策略，用一個(gè)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行解決。

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【總結(jié)】屏幕映射階段的主要目的，就是將之前步驟得到的坐標(biāo)映射到對(duì)應(yīng)的屏幕坐標(biāo)系上。

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2.4 光柵化階段 The Rasterizer Stage

給定經(jīng)過(guò)變換和投影之后的頂點(diǎn)，顏色以及紋理坐標(biāo)（均來(lái)自于幾何階段），給每個(gè)像素（Pixel）正確配色，以便正確繪制整幅圖像。這個(gè)過(guò)個(gè)過(guò)程叫光珊化（rasterization）或掃描變換（scan conversion），即從二維頂點(diǎn)所處的屏幕空間（所有頂點(diǎn)都包含Z值即深度值，及各種與相關(guān)的著色信息）到屏幕上的像素的轉(zhuǎn)換。

與幾何階段相似，該階段細(xì)分為幾個(gè)功能階段：

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• 三角形設(shè)定（Triangle Setup）階段
• 三角形遍歷（Triangle Traversal）階段
• ?像素著色（Pixel Shading）階段
• ?融合（Merging）階段

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如下圖所示:

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原書(shū)圖2.8 ?光柵化階段一般細(xì)分為三角形設(shè)定，三角形遍歷，像素著色和融合四個(gè)子階段。

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2.4.1 三角形設(shè)定 Triangle Setup

三角形設(shè)定階段主要用來(lái)計(jì)算三角形表面的差異和三角形表面的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要用于掃描轉(zhuǎn)換（scan conversion），以及由幾何階段處理的各種著色數(shù)據(jù)的插值操作所用。 該過(guò)程在專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)的硬件上執(zhí)行。

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2.4.2 三角形遍歷 Triangle Traversal

在三角形遍歷階段將進(jìn)行逐像素檢查操作，檢查該像素處的像素中心是否由三角形覆蓋，而對(duì)于有三角形部分重合的像素，將在其重合部分生成片段（fragment）。

找到哪些采樣點(diǎn)或像素在三角形中的過(guò)程通常叫三角形遍歷（TriangleTraversal）或掃描轉(zhuǎn)換（scan conversion）。每個(gè)三角形片段的屬性均由三個(gè)三角形頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)插值而生成（在第五章會(huì)有講解）。這些屬性包括片段的深度，以及來(lái)自幾何階段的著色數(shù)據(jù)。

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【總結(jié)】找到哪些采樣點(diǎn)或像素在三角形中的過(guò)程通常叫三角形遍歷（TriangleTraversal）或掃描轉(zhuǎn)換（scan conversion）。

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2.4.3 像素著色 Pixel Shading

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所有逐像素的著色計(jì)算都在像素著色階段進(jìn)行，使用插值得來(lái)的著色數(shù)據(jù)作為輸入，輸出結(jié)果為一種或多種將被傳送到下一階段的顏色信息。紋理貼圖操作就是在這階段進(jìn)行的。

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像素著色階段是在可編程GPU內(nèi)執(zhí)行的，在這一階段有大量的技術(shù)可以使用，其中最常見(jiàn)，最重要的技術(shù)之一就是紋理貼圖（Texturing）。紋理貼圖在書(shū)的第六章會(huì)詳細(xì)講到。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，紋理貼圖就是將指定圖片“貼”到指定物體上的過(guò)程。而指定的圖片可以是一維，二維，或者三維的，其中，自然是二維圖片最為常見(jiàn)。如下圖所示：

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原書(shū)圖2.9 ?左上角為一沒(méi)有紋理貼圖的飛龍模型。左下角為一貼上圖像紋理的飛龍。右圖為所用的紋理貼圖。

【總結(jié)】像素著色階段的主要目的是計(jì)算所有需逐像素操作的過(guò)程。

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2.4.4 融合 Merging

每個(gè)像素的信息都儲(chǔ)存在顏色緩沖器中，而顏色緩沖器是一個(gè)顏色的矩陣列（每種顏色包含紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量）。融合階段的主要任務(wù)是合成當(dāng)前儲(chǔ)存于緩沖器中的由之前的像素著色階段產(chǎn)生的片段顏色。不像其它著色階段，通常運(yùn)行該階段的GPU子單元并非完全可編程的，但其高度可配置，可支持多種特效。

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此外，這個(gè)階段還負(fù)責(zé)可見(jiàn)性問(wèn)題的處理。這意味著當(dāng)繪制完整場(chǎng)景的時(shí)候，顏色緩沖器中應(yīng)該還包含從相機(jī)視點(diǎn)處可以觀察到的場(chǎng)景圖元。對(duì)于大多數(shù)圖形硬件來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)Z緩沖（也稱(chēng)深度緩沖器）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Z緩沖算法非常簡(jiǎn)單，具有O(n)復(fù)雜度（n是需要繪制的像素?cái)?shù)量），只要對(duì)每個(gè)圖元計(jì)算出相應(yīng)的像素z值，就可以使用這種方法，大概內(nèi)容是：

Z緩沖器器和顏色緩沖器形狀大小一樣，每個(gè)像素都存儲(chǔ)著一個(gè)z值，這個(gè)z值是從相機(jī)到最近圖元之間的距離。每次將一個(gè)圖元繪制為相應(yīng)像素時(shí)，需要計(jì)算像素位置處圖元的z值，并與同一像素處的z緩沖器內(nèi)容進(jìn)行比較。如果新計(jì)算出的z值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于z緩沖器中的z值，那么說(shuō)明即將繪制的圖元與相機(jī)的距離比原來(lái)距離相機(jī)最近的圖元還要近。這樣，像素的z值和顏色就由當(dāng)前圖元對(duì)應(yīng)的值和顏色進(jìn)行更新。反之，若計(jì)算出的z值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于z緩沖器中的z值，那么z緩沖器和顏色緩沖器中的值就無(wú)需改變。

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上面剛說(shuō)道，顏色緩沖器用來(lái)存儲(chǔ)顏色，z緩沖器用來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)像素的z值，還有其他緩沖器可以用來(lái)過(guò)濾和捕獲片段信息。

• 比如alpha通道（alpha channel）和顏色緩沖器聯(lián)系在一起可以存儲(chǔ)一個(gè)與每個(gè)像素相關(guān)的不透明值。可選的alpha測(cè)試可在深度測(cè)試執(zhí)行前在傳入片段上運(yùn)行。片段的alpha值與參考值作某些特定的測(cè)試（如等于，大于等），如果片斷未能通過(guò)測(cè)試，它將不再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。alpha測(cè)試經(jīng)常用于不影響深度緩存的全透明片段（見(jiàn)6.6節(jié)）的處理。
• 模板緩沖器（stencil buffer）是用于記錄所呈現(xiàn)圖元位置的離屏緩存。每個(gè)像素通常與占用8個(gè)位。圖元可使用各種方法渲染到模板緩沖器中，而緩沖器中的內(nèi)容可以控制顏色緩存和Z緩存的渲染。舉個(gè)例子，假設(shè)在模版緩沖器中繪制出了一個(gè)實(shí)心圓形，那么可以使用一系列操作符來(lái)將后續(xù)的圖元僅在圓形所出現(xiàn)的像素處繪制，類(lèi)似一個(gè)mask的操作。模板緩沖器是制作特效的強(qiáng)大工具。而在管線(xiàn)末端的所有這些功能都叫做光柵操作（raster operations ，ROP）或混合操作（blend?? operations）。
• 幀緩沖器（frame buffer）通常包含一個(gè)系統(tǒng)所具有的所有緩沖器，但有時(shí)也可以認(rèn)為是顏色緩沖器和z緩沖器的組合。
• 累計(jì)緩沖器（accumulation buffer），是1990年，Haeberli和Akeley提出的一種緩沖器，是對(duì)幀緩沖器的補(bǔ)充。這個(gè)緩沖器可以用一組操作符對(duì)圖像進(jìn)行累積。例如，為了產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊（motion blur.，可以對(duì)一系列物體運(yùn)動(dòng)的圖像進(jìn)行累積和平均。此外，其他的一些可產(chǎn)生的效果包括景深（e depth of field），反走樣（antialiasing）和軟陰影（soft shadows）等。

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而當(dāng)圖元通過(guò)光柵化階段之后，從相機(jī)視點(diǎn)處看到的東西就可以在熒幕上顯示出來(lái)。為了避免觀察者體驗(yàn)到對(duì)圖元進(jìn)行處理并發(fā)送到屏幕的過(guò)程，圖形系統(tǒng)一般使用了雙緩沖（double buffering）機(jī)制，這意味著屏幕繪制是在一個(gè)后置緩沖器（backbuffer）中以離屏的方式進(jìn)行的。一旦屏幕已在后置緩沖器中繪制，后置緩沖器中的內(nèi)容就不斷與已經(jīng)在屏幕上顯示過(guò)的前置緩沖器中的內(nèi)容進(jìn)行交換。注意，只有當(dāng)不影響顯示的時(shí)候，才進(jìn)行交換。

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【總結(jié)】融合階段的主要任務(wù)是合成當(dāng)前儲(chǔ)存于緩沖器中的由之前的像素著色階段產(chǎn)生的片段顏色。此外，融合階段還負(fù)責(zé)可見(jiàn)性問(wèn)題（Z緩沖相關(guān)）的處理。

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2.5 管線(xiàn)縱覽與總結(jié)

在概念上可以將圖形渲染管線(xiàn)分為三個(gè)階段：應(yīng)用程序階段、幾何階段、光柵化階段。

這樣的管線(xiàn)結(jié)構(gòu)是API和圖形硬件十年來(lái)以實(shí)時(shí)渲染應(yīng)用程序?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行演化的結(jié)果。需要注意的是這個(gè)進(jìn)化不僅僅是在我們所說(shuō)的渲染管線(xiàn)中，離線(xiàn)渲染管線(xiàn)（offline rendering pipelines）也是另一種進(jìn)化的路徑。且電影產(chǎn)品的渲染通常使用微多邊形管線(xiàn)（micropolygon pipelines）。而學(xué)術(shù)研究和預(yù)測(cè)渲染的（predictive rendering）應(yīng)用，比如建筑重建（architectural previsualization）通常采用的是光線(xiàn)跟蹤渲染器（ray tracing renderers）

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三、本章內(nèi)容提煉總結(jié)

以下是對(duì)《Real Time Rendering 3rd》第二章“圖形渲染管線(xiàn)”內(nèi)容的文字版概括總結(jié)：

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圖形渲染管線(xiàn)的主要功能就是決定在給定虛擬相機(jī)、三維物體、光源、照明模式，以及紋理等諸多條件的情況下，生成或繪制一幅二維圖像的過(guò)程。在概念上可以將圖形渲染管線(xiàn)分為三個(gè)階段：應(yīng)用程序階段、幾何階段、光柵化階段。

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1、應(yīng)用程序階段

應(yīng)用程序階段的主要任務(wù)，是將需要繪制圖元輸入到繪制管線(xiàn)的下一個(gè)階段，以及實(shí)現(xiàn)一些軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的方法。主要方法有碰撞檢測(cè)、加速算法、輸入檢測(cè)，動(dòng)畫(huà)，力反饋以及紋理動(dòng)畫(huà)，變換仿真、幾何變形，以及一些不在其他階段執(zhí)行的計(jì)算，如層次視錐裁剪等加速算法。

對(duì)于被渲染的每一幀，應(yīng)用程序階段將攝像機(jī)位置，光照和模型的圖元輸出到管線(xiàn)的下一個(gè)主要階段，即幾何階段。

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2、幾何階段

幾何階段主要負(fù)責(zé)大部分多邊形操作和頂點(diǎn)操作，可以將這個(gè)階段進(jìn)一步劃分成如下幾個(gè)功能階段：模型視點(diǎn)變換、頂點(diǎn)著色、投影、裁剪、屏幕映射。這些功能階段的主要功能如下：

• 【模型和視圖變換階段】：模型變換的目的是將模型變換到適合渲染的空間當(dāng)中，而視圖變換的目的是將攝像機(jī)放置于坐標(biāo)原點(diǎn)，方便后續(xù)步驟的操作。
• 【頂點(diǎn)著色階段】：頂點(diǎn)著色的目的在于確定模型上頂點(diǎn)處材質(zhì)的光照效果。
• 【投影階段】：投影階段就是將模型從三維空間投射到了二維的空間中的一個(gè)過(guò)程。投影階段也可以理解為將視體變換到一個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)分別是(-1,-1,-1)和(1,1,1)單位立方體內(nèi)的過(guò)程 。
• 【裁剪階段】裁剪階段的目的，就是對(duì)部分位于視體內(nèi)部的圖元進(jìn)行裁剪操作。
• 【屏幕映射階段】屏幕映射階段的主要目的，就是將之前步驟得到的坐標(biāo)映射到對(duì)應(yīng)的屏幕坐標(biāo)系上。

?在幾何階段，首先，對(duì)模型的頂點(diǎn)和法線(xiàn)進(jìn)行矩陣變換，并將模型置于觀察空間中（模型和視圖變換），然后，根據(jù)材質(zhì)、紋理、以及光源屬性進(jìn)行頂點(diǎn)光照的計(jì)算（頂點(diǎn)著色階段），接著，將該模型投影變換到一個(gè)單位立方體內(nèi)，并舍棄所有立方體之外的圖元（投影階段），而為了得到所有位于立方體內(nèi)部的圖元，接下來(lái)對(duì)與單位立方體相交的圖元進(jìn)行裁剪（裁剪階段），然后將頂點(diǎn)映射到屏幕上的窗口中（屏幕映射階段）。在對(duì)每個(gè)多邊形執(zhí)行完這些操作后，將最終數(shù)據(jù)傳遞到光柵，這樣就來(lái)到了管線(xiàn)中的最后一個(gè)階段，光柵化階段。

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3、光柵化階段

給定經(jīng)過(guò)變換和投影之后的頂點(diǎn)，顏色以及紋理坐標(biāo)（均來(lái)自于幾何階段），給每個(gè)像素正確配色，以便正確繪制整幅圖像。這個(gè)過(guò)個(gè)過(guò)程叫光柵化，即從二維頂點(diǎn)所處的屏幕空間（所有頂點(diǎn)都包含Z值即深度值，及各種與相關(guān)的著色信息）到屏幕上的像素的轉(zhuǎn)換。光柵化階段可分為三角形設(shè)定階段、三角形遍歷階段、像素著色階段、融合階段。這些功能階段的主要功能如下：

• 【三角形設(shè)定階段】三角形設(shè)定階段主要用來(lái)計(jì)算三角形表面的差異和三角形表面的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。
• 【三角形遍歷階段】找到哪些采樣點(diǎn)或像素在三角形中的過(guò)程通常叫三角形遍歷。
• 【像素著色階段】像素著色階段的主要目的是計(jì)算所有需逐像素計(jì)算操作的過(guò)程。
• 【融合階段】融合階段的主要任務(wù)是合成當(dāng)前儲(chǔ)存于緩沖器中的由之前的像素著色階段產(chǎn)生的片段顏色。此外，融合階段還負(fù)責(zé)可見(jiàn)性問(wèn)題（Z緩沖相關(guān)）的處理。

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在光柵化階段，所有圖元會(huì)被光柵化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為屏幕上的像素。首先，計(jì)算三角形表面的差異和三角形表面的其他相關(guān)數(shù)據(jù)（三角形設(shè)定階段），然后，找到哪些采樣點(diǎn)或像素在三角形中（三角形遍歷階段），接著計(jì)算所有需逐像素計(jì)算操作（像素著色階段），然后，合成當(dāng)前儲(chǔ)存于緩沖器中的由之前的像素著色階段產(chǎn)生的片段顏色，可見(jiàn)性問(wèn)題可通過(guò)Z緩存算法解決，隨同的還有可選的alpha測(cè)試和模版測(cè)試（融合階段）。所有對(duì)像依次處理，而最后的圖像顯示在屏幕上。

The end.PS:從早上9點(diǎn)寫(xiě)到晚上9點(diǎn)，好累...

圖片來(lái)自《地平線(xiàn)：黎明時(shí)分》。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的图形学渲染管线的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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