【技术美术】GPU渲染管线概述

【技术美术】GPU渲染管线概述

GPU渲染管线的名称由来

GPU渲染管线指代GPU渲染图形的工作过程及其环境。

GPU的工作方式和狭义上分时的CPU不同，GPU类似早期的批处理系统：

1. 工作前需提前配置好输入和工作参数，运行时不可修改，直到工作结束；
2. 因为GPU一般是为了渲染像素这样的特定任务，其工作流程固定且有多道工序。

这些特征很像工厂中的流水线，也因此便获得了“渲染管线”的名号，前缀GPU则是用于区分“引擎渲染管线”。

GPU渲染管线中的工作步骤

详解：【技术美术】GPU渲染管线笔记

完全可以把GPU渲染管线看成是一种工厂流水线，那该工厂的产品生产步骤由如下完成：

1. 输入装配器阶段：准备渲染管线要用的各种数据以及管线设置的配置。
2. 顶点着色器阶段：分析顶点数据确定几何物体在屏幕上的数学位置。
3. 分割阶段：可选的能够自动分割几何物体的阶段。
   1. 壳着色器阶段：提供分割参数和控制点数据。
   2. 细化器阶段
   3. 域着色器阶段：根据控制点和权重产生分割后的新顶点。
4. 几何着色器阶段：可选的能够根据几何物体点线面再生成新点线面的阶段。
5. 光栅化阶段：根据几何物体的数学位置，确认其在屏幕上的物理像素，并插值顶点数据。
   1. 裁剪测试：剔除超出显示范围（视口）的那些肯定看不见的像素。
   2. 早期深度测试：提前进行深度测试，以减少无效的片段着色器计算。
6. 片段着色器阶段：根据顶点数据和各种其他资源给像素进行最终上色。
7. 输出合并阶段：对计算出的新像素数据进行后处理，并决定如何与上次计算的数据混合。
   1. Alpha测试：旧管线功能，用于根据Alpha进行剔除，目前用clip()替代，是第一个且可编程的剔除阶段。
   2. 模板测试：利用可选的模板功能进行像素剔除。
   3. 深度测试：利用像素的深度位置进行像素剔除。
   4. 混合：决定新的像素颜色如何写入到颜色附件中。

GPU渲染管线中的资源

缓冲区

缓冲区是GPU中最多的数据类型，实际上下文的纹理、附件也是一种缓冲区，他们的本质都是一个字节数组，只是其数据含义有所不同。

• 顶点缓冲区：存放顶点的缓冲区，顶点数据由用户自行定义，甚至为空也是可以的。
• 索引缓冲区：存储每个基元顶点对应在顶点缓冲区中位置的缓冲区，如果基元是三角形，那每三个索引，描述一个三角形。
• 常量缓冲区：用户自定义的可选只读数据缓冲区，可以提供各种渲染时需要的统一数据，例如时间、矩阵之类。

纹理

纹理对应的就是图片，但需要使用GPU支持的格式进行存储。GPU对其实现了很多特殊功能，例如按0-1插值访问，mipmap等。

• 1D纹理、1D纹理数组
• 2D纹理、2D纹理数组
• 3D纹理
• Cube纹理

附件

每次绘制完成后用于存储最终像素信息的缓冲区。如果将其用于在屏幕上呈现，那一般分辨率与屏幕一致。本质也是纹理，因此每次绘制完后还可以将其反向作为输入。

• 颜色附件：用于存储上次绘制的颜色信息，每次绘制新颜色时，需选择如何覆盖旧数据，例如混合或直接覆盖。
• 深度模板附件：像素可以额外存储深度和掩码信息，用于处理遮挡时的绘制顺序问题，以及利用可选的模板功能来实现自定义效果。

渲染状态

对管线各种功能的设置，告诉GPU如何处理数据，以及提供一些可选功能，常用的设置如下：

• 基元类型：确定要绘制的基元类型（索引缓冲区的数据结构），如点、线、三角面、四边面。
• 混合方式：如何混合颜色附件中的旧数据和要写入的新数据。
• 正面方向和剔除方向：绘制面时可以根据顶点的顺逆时针顺序判断其正反方向，可以决定要绘制哪个方向。
• 深度测试、深度写入、深度偏移：如何进行深度测试，以及是否写入深度，以及对深度的偏移。
• 模板测试和模板写入：如何进行模板测试、以及如何写入模板掩码数据。

着色器

实现对GPU中部分阶段的编程，通过代码的方式具体控制各种绘制效果的实现。

• 顶点着色器
• 壳着色器
• 域着色器
• 几何着色器
• 片段着色器