图形绘制管线

图形绘制管线描述 GPU 渲染流程，即“给定视点、三维物体、光源、照明模 式，和纹理等元素，如何绘制一幅二维图像”。

在《实时计算机图形学》一书中，将图形绘制管线分为三个主要阶段：应用程序阶段(CPU,内存)、几何阶段(GPU)、光栅阶段(为像素正确配色)。

 

输入到计算机中的是一系列三维坐标点，但是我们最终需 要看到的是，从视点出发观察到的特定点（这句话可以这样理解，三维坐标点， 要使之显示在二维的屏幕上）。

 

从视点坐标到屏幕坐标

因为在不规则的体（ viewing frustum）中进行裁剪并非易事，所以经过图形学前辈们的 精心分析，裁剪被安排到一个单位立方体中进行，该立方体的对角顶点分别是(-1,-1,-1)和(1,1,1)，通常称这个单位立方体为规范立方体（ Canonical view volume,CVV）（实时计算机图形学第 9 页）

从视点坐标空间到屏幕坐标空间 （ screen coordinate space）事实上是由三步组成：

1. 用透视变换矩阵把顶点从视锥体中变换到裁剪空间的 CVV 中；
2. 在 CVV 进行图元裁剪；
3. 屏幕映射：将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上。

 

为了减少需要绘制的顶点个数， 而识别指定区域内或区域外的图形部分的算法都称之为裁减。裁减算法主要包括：视域剔除（ View Frustum Culling）、背面剔除 （ Back-Face Culling）、遮挡剔除（ Occlusing Culling）和视口裁减等。

处理三角形的过程被称为 Triangle Setup。到目前位置，我们得到了一堆在屏幕坐标上的三角面片，这些面片是用于做光栅化的（ Rasterizing）。

 

光栅化

Pixel operation 又称为 Raster Operation，是在更新帧缓存之前，执行最后一系列针对每个片段的操作，其目的是：计算出每个像素的颜色值。在这个阶段，被遮挡面通过一个被称为深度测试的过程而消除，这其中包含了很多种计算颜色的方法以及技术。 Pixel operation 包含哪些事情呢？

1： 消除遮挡面
2： Texture operation，纹理操作，也就是根据像素的纹理坐标，查询对应的纹理值；
3： Blending，混色，根据目前已经画好的颜色，与正在计算的颜色的透明度（ Alpha）， 混合为两种颜色，作为新的颜色输出；

4： Filtering，将正在算的颜色经过某种 Filtering（滤波或者滤镜）后输出。 可以理解为：经过一种数学运算后变成新的颜色值。

 

——《GPU 编程与CG 语言之阳春白雪下里巴人》

 

总结：

- 顶点数据通过GPU“几何阶段”的坐标变换与裁剪，最后获得屏幕上的三角面片（3D物体的几何信息）；

- 光栅化利用“几何阶段”得到的三角面片作为输入，对屏幕上的像素正确配色

- 渲染管线的目的是为了在2D屏幕上通过最少的顶点和像素填充(裁剪实现)来达到显示图形的效果