GPU学习笔记

 

 

Graphics Processing Unit（GPU），即可编程图形处理单元， 通常也称之为可编程图形硬件。

由于 GPU 具有高并行结构（highly parallel structure），所以 GPU 在处理图形数据和复杂算法方面拥有比 CPU 更高的效率。图 1 GPU VS CPU 展示了 GPU 和 CPU 在结构上的差异，CPU 大部分面积为控制器和寄存器，与之相比，GPU 拥有更多的 ALU（Arithmetic Logic Unit，逻辑运算单元）用于数据处理，而非数据高速缓存和流控制，这样的结构适合对密集型数据进行并行处理。CPU 执行计算任务时，一个时刻只处理一个数据，不存在真正意义上的并行，而 GPU 具有多个处理器核，在一个时刻可以并行处理多个数据。

 

GPU 采用流式并行计算模式，可对每个数据进行独立的并行计算，所谓“对 数据进行独立计算”，即，流内任意元素的计算不依赖于其它同类型数据，例如，计算一个顶点的世界位置坐标，不依赖于其他顶点的位置。而所谓“并行计算” 是指“多个数据可以同时被使用，多个数据并行运算的时间和 1 个数据单独执行的时间是一样的”。图 2 中代码目的是提取 2D 图像上每个像素点的颜色值，在 CPU 上运算的 C++代码通过循环语句依次遍历像素；而在 GPU 上，则只需要一条语句就足够。

 

其一，object space coordinate 就是模型文件中的顶点值，这些值是在模型建模时得到的，例如，用 3DMAX 建 立一个球体模型并导出为.max 文件，这个文件中包含的数据就是 object space coordinate；其二，object space coordinate 与其他物体没有任何参照关系，注意，这个概念非常重要，它是将 object space coordinate 和 world space coordinate 区分 开来的关键。无论在现实世界，还是在计算机的虚拟空间中，物体都必须和一个固定的坐标原点进行参照才能确定自己所在的位置，这是 world space coordinate 的实际意义所在。

从 object space coordinate 到 world space coordinate 的变换过程由一个四阶矩阵控制，通常称之为 world matrix。需要高度注意的是：顶点法向量在模型文件中属于 object space，在 GPU 的 顶点程序中必须将法向量转换到 world space 中才能使用，如同必须将顶点坐标从 object space 转换到 world space 中一样，但两者的转换矩阵是不同的，准确的说，法向量从 object space 到 world space 的转换矩阵是 world matrix 的转置矩阵的逆矩阵。

每个人都是从各自的视点出发观察这个世界，无论是主观世界还是客观世界。同样，在计算机中每次只能从唯一的视角出发渲染物体。在游戏中，都会提供视点漫游的功能，屏幕显示的内容随着视点的变化而变化。这是因为 GPU 将 物体顶点坐标从 world space 转换到了 eye space。 所谓 eye space，即以 camera（视点或相机）为原点，由视线方向、视角和远近平面，共同组成一个梯形体的三维空间，称之为 viewing frustum（视锥）， 如图 4 所示。近平面，是梯形体较小的矩形面，作为投影平面，远平面是梯形体 较大的矩形，在这个梯形体中的所有顶点数据是可见的，而超出这个梯形体之外的场景数据，会被视点去除（Frustum Culling，也称之为视锥裁剪）。

 

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。

 

从物理结构而言，寄存器是 cpu 或 gpu 内部的存储单元，即寄存器是嵌入在 cpu 或者 gpu 中的，而内存则可以独立存在；

从功能上而言，寄存器是有限存储 容量的高速存储部件，用来暂存指令、数据和位址。

Shader 编成是基于计算机图形硬件的，这其中就包括 GPU 上的寄存器类型，glsl 和 hlsl 的着色虚拟机版本就是基于 GPU 的寄存器和指令集而区分的。

 

顶点着色器控制顶点坐标 转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片 段着色程序的各自分工：Vertex program 负责顶点坐标变换；Fragment program 负责像素颜色计算；前者的输出是后者的输入。