今日起開始分享學(xué)習(xí)技美之路專欄，文章來源聽課筆記以及業(yè)界大佬分享的經(jīng)驗(yàn)文章，主要來自CSDN_知乎等。技美路漫長 一定要堅(jiān)持??開始吧！

一.整體流程

整體流程（渲染管線可分為四個(gè)階段）每一個(gè)階段的輸出為下一個(gè)階段的輸入
?

應(yīng)用階段：準(zhǔn)備的是場景，你的對(duì)象的基本數(shù)據(jù)，比如說場景里面的物體他們的位置朝向、大小以及物體對(duì)應(yīng)的模型里邊每一個(gè)頂點(diǎn)的位置，法線、切線等等；場景光源的位置朝向和一些基本屬性，還有攝像機(jī)的位置朝向等等。這些數(shù)據(jù)用處在哪里，進(jìn)入下一個(gè)階段

幾何階段：首先在頂點(diǎn)著色器里，我們有可能需要計(jì)算頂點(diǎn)光照，那么頂點(diǎn)光照就需要知道光源的位置和朝向以及攝像機(jī)的位置和朝向，還有當(dāng)前頂點(diǎn)的世界位置，通過這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算，曲面細(xì)分著色器，需要通過現(xiàn)有的頂點(diǎn)來生成更多的頂點(diǎn)，那么也需要知道現(xiàn)有頂點(diǎn)在模型里的位置信息。幾何著色器，需要通過現(xiàn)有的圖元來做一些幾何方面的操作，生成更多的頂點(diǎn)和圖元比如對(duì)現(xiàn)有圖源所在的平面生成法線 那么同樣需要知道現(xiàn)有圖源的頂點(diǎn)的位置，同樣的幾何階段要為光柵化階段準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

比如要干掉看不到的屏幕以外的頂點(diǎn)，這就是頂點(diǎn)裁剪

還需要把頂點(diǎn)位置從 3D坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換到2D坐標(biāo)空間，這就是屏幕映射

光柵化階段：拿到映射到2D空間里的頂點(diǎn)位置，我們要把它組裝成三角形，這就是三角形設(shè)置然后還要知道三角形包含了哪些2D空間的像素點(diǎn)，這就是三角形遍歷最后我們要對(duì)這些點(diǎn)使用它們包含的數(shù)據(jù)來著色，并且為后面的逐片元著色準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

逐片元操作：我們的操作對(duì)象就變成了光柵化操作輸出的片元數(shù)據(jù)，片元可以理解成為屏幕上的某一個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)于這些片元我們需要進(jìn)行一系列的測試。比如透明度測試，深度測試和模板測試，通過測試的片元就保留起來，否則就丟棄掉，然后在2D屏幕坐標(biāo)系當(dāng)中，同一個(gè)位置上的像素點(diǎn)有可能會(huì)對(duì)應(yīng)于多個(gè)不同的片元，那么我們可能還需要把這些通過測試的片元的顏色進(jìn)行一個(gè)混合操作，從而得到像素點(diǎn)最終輸出的顏色，逐片元操作完成以后，我們就得到了一個(gè)類似于貼圖的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存里，然后我們對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)還可以做一個(gè)后處理，可以理解成為圖像處理，比如模糊、景深、高光等等，那么這樣的話渲染管線每個(gè)階段之間的關(guān)系大概就講清楚了。

二.分階段介紹
?

應(yīng)用階段
?

在渲染管線中，應(yīng)用階段是在CPU中進(jìn)行處理的
?

• 首先是準(zhǔn)備場景，從磁盤或是內(nèi)存上讀取模型或者貼圖數(shù)據(jù)，將其加載進(jìn)應(yīng)用程序中，對(duì)象為基本數(shù)據(jù)：包括不限于場景中的物體的位置，朝向，大小，物體網(wǎng)格數(shù)據(jù)，頂點(diǎn)位置，UV貼圖，法線，切線等；場景的光源位置朝向，類型，參數(shù)屬性等；攝像機(jī)位置朝向，模式，視口長寬比等等…

補(bǔ)充：光源和陰影

設(shè)置光源：

1.方向光，顏色，方向等
2.點(diǎn)光源：顏色，位置，范圍等
3.聚光源：顏色，位置，方向，內(nèi)外圓錐角等

設(shè)置陰影：

1.是否需要陰影：判斷該光源可見范圍內(nèi)是否有可投陰影的物體
2.陰影參數(shù)：對(duì)應(yīng)光源序號(hào)，陰影強(qiáng)度，級(jí)聯(lián)參數(shù)，深度偏移，近平面偏移等

逐光源繪制陰影范圍：

1.近平面偏移
2.逐級(jí)聯(lián)

計(jì)算當(dāng)前光源+級(jí)聯(lián)對(duì)應(yīng)的觀察矩陣，投影矩陣，以及對(duì)應(yīng)到陰影貼圖里的視口區(qū)域

繪制到陰影貼圖
?

• 加速算法，粗粒度剔除：處理遮擋的問題，不會(huì)看到的，就不渲染，降低渲染成本，提高渲染性能

• 可見光裁剪：點(diǎn)光和聚光有衰減，聚光錐體有區(qū)域；若離相機(jī)距離較遠(yuǎn)，或者光錐與相機(jī)的視錐體不相交，則剔除渲染；
• 可見場景物體裁剪：遮擋啥的，相關(guān)算法：八叉樹，BSP樹，k-D樹，PVH包圍盒等
• 說起裁剪就不由想起圖形學(xué)里的經(jīng)典裁剪算法：Liang－Barsky算法，Cohen-Sutherland算法（編碼裁剪算法）這兩個(gè)算法是用于將圖像裁剪到可見范圍內(nèi)

• 設(shè)置渲染狀態(tài)，準(zhǔn)備渲染參數(shù)：渲染UI和場景，其參數(shù)和模式可能不一樣，通俗解釋：場景中的網(wǎng)格如何被渲染，渲染順序是啥，使用哪個(gè)頂點(diǎn)著色器/片元著色器，光源屬性，材質(zhì)，最后會(huì)渲染到哪里，渲染模式等等…

• 繪制設(shè)置：使用著色器，合批方式(gpu 動(dòng)態(tài)合批)
• 繪制物體順序：相對(duì)相機(jī)距離，材質(zhì)RenderQueue, UICanvas等
• 渲染目標(biāo)：FrameBuffer, RenderTexture...
• 渲染模式：前向渲染（ForwardBase ForwardAdd），延遲渲染

• 調(diào)用DrawCall，輸出渲染圖元到顯存：圖元從CPU邁向GPU
• DrawCall是一個(gè)命令，發(fā)起方是CPU，接收方是GPU。僅指向一個(gè)需要被渲染的圖元（Primitives）列表。

• 頂點(diǎn)數(shù)據(jù)：位置，顏色，法線，紋理uv坐標(biāo)，其他頂點(diǎn)數(shù)據(jù)
• 其他數(shù)據(jù)：MVP變換矩陣，紋理貼圖，其他數(shù)據(jù)

幾何階段
?

• 頂點(diǎn)著色器（VertexShader）：完全可編程，實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)的空間變換、頂點(diǎn)著色等
• 曲面細(xì)分著色器（TessellationShader）：可選著色器，用于細(xì)分圖元
• 幾何著色器（GeometryShader）可選著色器，執(zhí)行逐圖元著色操作
• 裁剪（Clipping）：將不在相機(jī)視野內(nèi)的頂點(diǎn)裁剪掉，可配置
• 屏幕映射（ScreenMapping）：不可配置和編程

幾何階段，光柵化，逐片元這些操作都是在GPU中進(jìn)行處理的，那么在講幾何階段前，我們先聊聊為什么要用GPU渲染？

答：GPU的特點(diǎn)是并行性較好。當(dāng)我們在對(duì)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，他們雖然數(shù)據(jù)不同，但光照，幾何運(yùn)算方式啥都一樣的時(shí)候，那么我們將他們放在GPU的不同工作單元上進(jìn)行同時(shí)執(zhí)行，速度會(huì)更快。
?

頂點(diǎn)著色器：必須完成的一個(gè)工作：將頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間（投影坐標(biāo)系），同時(shí)它還有計(jì)算頂點(diǎn)光照的功能，這需要獲取應(yīng)用階段中光源位置朝向，攝像機(jī)位置朝向，當(dāng)前頂點(diǎn)的世界位置（獲取該位置需知道頂點(diǎn)在模型空間的位置，模型本身的位置旋轉(zhuǎn)縮放…）；
?

頂點(diǎn)著色器-視圖變換：模型坐標(biāo)系--（模型變換) --> 世界坐標(biāo)系--（視圖變換）-->視圖坐標(biāo)系 --（投影變換）-->投影坐標(biāo)系--（視口變換）-->視口坐標(biāo)系 上圖中的前三個(gè)變換對(duì)應(yīng)MVP（model view projection）矩陣，在頂點(diǎn)著色器中，頂點(diǎn)從模型坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到投影坐標(biāo)系，最后一步由Unity幫忙完成

曲面細(xì)分著色器：通過現(xiàn)有頂點(diǎn)生成更多的頂點(diǎn)，需獲取頂點(diǎn)在模型中的位置信息

它是一個(gè)可選著色器，使用頂點(diǎn)著色器輸出的頂點(diǎn)，按照一定規(guī)則算法生成更多頂點(diǎn)，將現(xiàn)有的網(wǎng)格和圖元細(xì)分（其效果類似于MAYA中的“平滑”效果，模型圓滑了但面數(shù)增大了）

幾何著色器（基于圖元）：通過現(xiàn)有的圖元做些幾何方面操作，二手手機(jī)號(hào)出售生成更多頂點(diǎn)和圖元，比如對(duì)現(xiàn)有圖元所在平面生成法線，需獲取現(xiàn)有圖元頂點(diǎn)位置

圖元是啥？

答：可以為頂點(diǎn)，線段，倆頂點(diǎn)，三角形...基礎(chǔ)的幾何圖形

投影：將3D空間投到2D空間

對(duì)于頂點(diǎn)在裁剪空間里的位置，xyzw進(jìn)行透視除法：xyz除以w完成投影。使其從投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備坐標(biāo)系（NDC）；

由于正交和透視視角下w值不同，故而呈現(xiàn)效果不同，正交顯得像截圖，透視則近大遠(yuǎn)小

頂點(diǎn)裁剪：消去屏幕外的頂點(diǎn)；

不在相機(jī)視野內(nèi)的物體不需要被處理。一個(gè)圖元和相機(jī)視野有3種關(guān)系：

完全在視野內(nèi)：繼續(xù)傳遞給下一階段
部分在視野內(nèi)：需要進(jìn)行裁剪（Clipping），使用新的頂點(diǎn)來代替
完全在視野外：不會(huì)向下傳遞
?

- 投影里又說要進(jìn)行除法操作，當(dāng)xyz超過-1~1范圍，則判斷其不在范圍內(nèi)，

舍棄進(jìn)行經(jīng)典的圖形學(xué)裁剪算法；

- 投影和頂點(diǎn)裁剪在《Shader入門精要》中都是歸屬于裁剪一節(jié)中，這個(gè)操作過程無法由代碼控制，是硬件上固定操作，但可以自定裁剪操作進(jìn)行配置

- 設(shè)備坐標(biāo)系在opengl和DirectX中不一樣，opengl xyz三維度取值范圍都是-1~1，DirectX只有xy是-1~1，z為0~1

屏幕映射：

將頂點(diǎn)位置從3D坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換到2D坐標(biāo)空間；

屏幕映射（ScreenMapping）的任務(wù)是把每個(gè)圖元x和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系（ScreenCoordinates）。不處理z坐標(biāo)。opengl和DirectX原點(diǎn)不同，opengl左下方，DirectX左上方
?

按照《Shader入門精要》所言：屏幕映射任務(wù)是把每個(gè)圖元的x和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系。

如應(yīng)用階段為幾何階段準(zhǔn)備數(shù)據(jù)一樣，幾何階段同樣會(huì)為光柵化階段準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

光刪化階段

三角形設(shè)置：拿到映射于2D空間里的頂點(diǎn)位置，組裝成三角形；

三角形遍歷：尋找被三角形覆蓋的所有像素的過程，知曉包含哪些2D空間像素點(diǎn)

《Shader入門精要》：三角形遍歷階段將檢查每個(gè)像素是否被一個(gè)三角網(wǎng)格所覆蓋，若覆蓋，則生成一個(gè)片元。

片元非像素，它是包含很多狀態(tài)的集合，這些狀態(tài)用于計(jì)算每個(gè)像素的最終顏色，這些狀態(tài)包含不限于，屏幕坐標(biāo)，深度信息，從幾何階段輸出的頂點(diǎn)信息，法線，紋理坐標(biāo)等。屏幕同一個(gè)像素位置可能有對(duì)應(yīng)多個(gè)三角形的不同片元（如兩片重疊的交集）

抗鋸齒（MSAA）：

1.SSAA：

渲染到一個(gè)分辨率放大n倍的buffer：屏幕分辨率1024x1024，渲染得到buffer可為2048x2048，放大四倍，對(duì)其采樣后再輸出屏幕

對(duì)方打n倍的buffer下采樣

2.MSAA

只有它發(fā)生在光柵化階段

計(jì)算多個(gè)覆蓋樣本：覆蓋測試看子采樣點(diǎn)是否在三角形以內(nèi)，遮擋測試看這個(gè)子采樣度的深度和，即與深度緩存中數(shù)值進(jìn)行比較，看能否通過，若能通過兩測試，則說明采樣點(diǎn)屬于三角形，得到覆蓋信息并保存，用于之后的著色混合

3.FXAA/TXAA

后處理技術(shù)

逐片元操作
?

決定可見性：

模板測試（StencilTest）：將片元位置的模板值，和參考值進(jìn)行比較

深度測試（DepthTest）：將片元的深度值，和深度緩沖區(qū)的深度值進(jìn)行比較

合并顏色。對(duì)于不透明物體，可以關(guān)閉混合，用片元著色器得到的顏色值覆蓋顏色緩沖區(qū)的像素值。對(duì)于半透明物體，要混合。

如果在執(zhí)行片元著色器之前就進(jìn)行這些測試，可以提高GPU性能，早點(diǎn)知道那些片元會(huì)被舍棄。深度測試提前執(zhí)行的技術(shù)Early-Z。透明度測試會(huì)導(dǎo)致禁用提前測試，使性能下降。

為了避免我們看到正在進(jìn)行光柵化的圖元，GPU會(huì)使用雙重緩沖（DoubleBuffering）。渲染在幕后，在后置緩沖(BackBuffer)中，一旦完成，GPU會(huì)交換后置緩沖區(qū)和前置緩沖（FrontBuffer）的內(nèi)容。

后處理

Bloom，HDR，FXAA，景深，邊緣檢測，徑向模糊

什么是OpenGL/DirectX

OpenGL/DirectX圖像應(yīng)用編程接口。運(yùn)行在CPU上的應(yīng)用程序->調(diào)用OpenGL/DirectX等圖形接口，將數(shù)據(jù)存在顯存，

發(fā)出DrawCall->顯卡驅(qū)動(dòng)翻譯成GPU能理解的代碼。
?

什么是HLSL、GLSL、CG

著色語言（ShadingLanguage）：

DirectX的HLSL（HighLevelShadingLanguage）

OpenGL的GLSL（OpenGLShadingLanguage）

NVIDIA的CG（C for Graphic）

在UnityShader中，可以選擇使用哪種，但有所區(qū)別。

什么是DrawCall

DrawCall，CPU調(diào)用圖像編程接口，以命令GPU進(jìn)行渲染的操作。

問題一：CPU和GPU是如何實(shí)現(xiàn)并行工作的？

命令緩沖區(qū)（CommandBuffer），讓CPU和GPU可以并行工作。CPU向其中添加命令，GPU從中讀取命令，添加和讀取的過程是相互獨(dú)立的。
?

問題二：為什么DrawCall多了會(huì)影響幀率？

GPU渲染能力很強(qiáng)，速度往往快于CPU提交命令的速度。如果DrawCall的數(shù)量太多，CPU會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間造成過載。
?

問題三：如何減少DrawCall？

這里討論批處理方法（Batching）。把很多小的DrawCall合并成一個(gè)大的DrawCall，更適合合并靜態(tài)的物體，因?yàn)橹恍韬喜⒁淮巍?/span>
?

為了減少DrawCall的開銷，需要注意：

避免使用大量很小的網(wǎng)格，合并小網(wǎng)格

避免使用過多的材質(zhì)，盡量在不同網(wǎng)格之間共用同一個(gè)材質(zhì)

什么是固定管線渲染

固定函數(shù)的流水線（Fixed-Function Pipeline），簡稱為固定管線，只給開發(fā)者一些配置操作。隨著時(shí)代的發(fā)展，可編程渲染管線應(yīng)運(yùn)而生，如頂點(diǎn)著色器、片元著色器。

那么，你明白什么是Shader了嗎

Shader所在階段，就是渲染流水線的一部分：

GPU流水線上一些可高度編程的階段，由著色器編譯出來的最終代碼會(huì)在GPU上運(yùn)行

有一些特定類型的著色器，如頂點(diǎn)著色器、片元著色器

依靠著色器我們可以控制流水線中的渲染細(xì)節(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的「技美之路」图形 1.1 渲染流水线的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。