轉載自：?https://blog.csdn.net/nikoong/article/details/79776873

渲染管線入門

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　　渲染管線中一些技術名詞大部分是英文直譯，光看中文很容易被誤導。所以我們必須在了解一個技術的具體作用之后，才能了解它到底是什么。這篇博客我主要翻譯自Minh Tri Do Dinh的GPUs - Graphics Processing Units一文。也就是一些論壇里推薦給新手閱讀的圖形處理器架構(GPU_Architecture)與圖形管線(Graphics_Pipeline)。在此之上我還添加一些注解，方便大家閱讀。

基礎名詞

• 3D物體：任何物體，其幾何形狀都是由三角形組成的。三角形，或者任何圖形，都由頂點組成。?
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• 頂點：具有空間坐標和其他信息（如顏色和紋理坐標）的點

• 紋理：映射到3D物體表面的圖像，這會造成該物體由某種材料組成的幻覺。物體的頂點存儲著紋理坐標（2維向量），用于指定紋理如何映射到任何給定表面。?
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• 齊次坐標：3D空間中的點通常需要3個坐標來指定位置。如果繼續用3個坐標表示，有時會遇到問題。例如：頂點平移時的操作是加一個向量，頂點旋轉時的操作是乘以3x3矩陣）。所以我們通過擴展三維向量來繞開這個問題。我們添加另一個坐標（w坐標，從而得到所謂的齊次坐標[注1]。這樣一來，頂點的所有變換都可以通過將其四維坐標與特定的4x4矩陣相乘來進行，使得計算更容易。齊次坐標的另一個用途是明確區分向量和點。

渲染管線

　　渲染管線（Graphics pipeline/rendering pipeline），其實貼切的翻譯應該是渲染流水線。渲染流水線就是將數據從3D場景轉換成2D圖像，最終在屏幕上顯示出來的總過程。它分為幾個階段：應用階段、幾何階段和光柵階段。?
　　應用階段：主要是CPU與內存打交道，例如碰撞檢測，計算好的數據（頂點坐標、法向量、紋理坐標、紋理）就會通過數據總線傳給圖形硬件 。?

幾何階段(Geometry Stage)

　　這個階段也被稱為“變換和光照”階段。為了從3D場景轉換到2D，場景中的所有物體都需要轉換到幾個空間。每個空間都有自己的坐標系。這些轉換是通過一個空間的頂點轉換到另一個空間的頂點來實現的。?
　　光照（lighting），是這個階段的另一個主要部分。是使用物體表面的法向量來計算的。通過攝像機的位置和光源的位置，可以計算出給定頂點的光照屬性。?
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　　對于坐標系變換，我們從物體坐標系開始，每個物體都有自己的坐標系，這有利于幾何變換，如平移，旋轉和縮放。?
　　之后，我們進入到世界坐標系，場景中的所有物體都具有統一的坐標系。?
　　下一步是轉換到視圖空間，即攝像機坐標系。想象一下：先在世界空間中放一個虛擬攝像機，然后進行坐標變換，使得攝像機位于視圖空間的原點，鏡頭對準z軸的方向。現在我們定義一個所謂的視體（view frustrum），它用來決定了我們能夠通過虛擬的3D攝像機所能看到的場景，我們只需要把這些內容渲染出來就行。?
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　　之后，所有的頂點將被轉換剪切空間，并通過圖元裝配，組裝成圖元（primitive，三角形或線）。當物體在視體的外，說明我們不需要渲染這個物體，所以就簡單丟棄它。當一個物體有部分在視體內，我們需要進行剪切，同時生成新的頂點。新頂點具有適當的的紋理坐標和顏色坐標。?
　　接著我們執行透視分割操作，其實就是實現了一個投影變換，把”近大遠小“的效果實現出來。把一個視體轉換為歸一化的立方體。這個立方體的坐標范圍：x和y在-1和1之間，z在0和1之間。同時視體內的物體也一同進行縮放。這樣一來得到的立方體，便于裁剪操作，也便于將來投影到平面（立方體只需要“扁平化”）。?
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　　最后，我們轉換到屏幕空間。執行的操作：根據窗口大小將x和y坐標縮放到合適的坐標，這樣就得到2D圖片了。（請注意，頂點的z坐標會保留，用于以后的深度操作）?
　　請注意，除了剪裁之外紋理坐標也需要進行轉換。還要注意除去不可見的表面[注2]。如出去立方體的背面，就是所謂的背面剔除。

光柵階段(Rasterization Stage)

　　光柵這個名詞不太好理解，新手可以想象成”透過一把梳子看世界“，類似于將連續的數據轉化成離散的數據。這里光柵階段是指矢量圖形轉化成像素點的過程。?
　　GPU需要遍歷2D圖像并進行轉換將數據轉化為大量“像素候選”，即所謂的片段（Fragment，片段可以理解為像素的原型，但絕對不是指一大片像素）。片段是包含位置，顏色，深度，紋理坐標等屬性的數據結構。片段可能會最終成為圖像上的像素。片段是通過檢查原始圖元和和屏幕像素是否相交來生成的。如果一個片段與一個基元相交，但不與它的任何頂點相交，那么它的屬性必須通過頂點之間的屬性插值來計算得出。?
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　　最后還有一些步驟來得到最終的像素。最終像素顏色的計算：結合紋理和顏色、光照等其他屬性，或片段與另一個半透明片段的結合（所謂的α混合），亦或是可選的霧化效果（另一個圖形效果）。[注3]

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注1：齊次坐標和四元數長得很像，但卻是不同的概念，適用領域也不一樣。

注2：可見性檢查的一些具體操作：?
* 剪刀測試（檢查矩形面罩的可見度）?
* 模板測試（類似于剪刀測試，僅針對緩沖區中的任意像素模板）?
* 深度測試（比較片段的z坐標，丟棄更遠的片段）?
* Alpha測試（檢查半透明碎片的可見度）

注3：在我們獲得最終結果之前，可以應用像抗鋸齒這樣的附加程序：將一些像素寫入內存供以后顯示。

reference

• GPUs - Graphics Processing Units
• 知乎：如何理解 OpenGL 中著色器、渲染管線、光柵化等概念？
• OpenGL技術之View Volume, Viewport, Screen的關系
• 維基百科-齊次坐標
• 坐標系統
• ?此外，還要講的就是? ?shader? 的編寫，這里推薦? ?http://bbs.gameres.com/upload/sf_20061018193133.pdf

總結

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

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