Real-Time Rendering Fourth Edition 学习笔记之 -- 第二章：图形渲染管线

一环出问题，全局完。 -----匿名

本章将会介绍渲染管线的不同阶段。

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1 架构

非流水线系统划分成n个流水线阶段，可以以n为因子提速。其中最慢的阶段就是整个流水线性能的瓶颈。
计算机图形学流水线可以简单的划分为：应用、几何处理、光栅化和像素处理阶段：

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2 应用阶段

应用阶段部分计算也可以使用GPU完成（计算着色器 CS），本阶段不能划分为多个子阶段。
在CPU设计中，superscalar结构可以在同一个阶段，同时处理多个进程。
加速算法，比如例子剔除算法也在这个阶段实现。

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3 几何处理

GPU上的几何处理阶段负责大部分逐三角形/逐顶点的计算，它还可以进一步划分为：

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3.1 顶点着色计算

坐标系变换：

投影分为正交投影和透视投影两种：

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3.2 可选的顶点处理

曲面细分、几何着色器和流输出。

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3.3 裁剪

只有全部或者部分在视体内部的基元才能传递到光栅化阶段。

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3.4 屏幕映射

屏幕坐标系中，(0; 0)在OpenGL中是左下角，而在DirectX中是左上角；这个区别在改变API的时候非常重要。

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4 光栅化阶段

分为2个子阶段：triangle setup (also called primitive assembly) and triangle traversal；光栅化也叫做scan conversion。

最简单的是单点采样，如果中心点在三角形中，那么对于的像素就考虑在三角形中。像素也可以使用超采样或者多重采样抗锯齿技术。

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4.1 三角形设置（Triangle Setup）

在这个阶段，差值、变方程和其他三角形用到的数据被计算。这些数据可能用于三角形遍历，也会用以各种数据的差值计算。固定方程的硬件用以这些工作。

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4.2 三角形遍历（triangle traversal）

现在每个其中心点被三角形覆盖的像素点已经被检查过，并且为这部分像素创建了重叠了三角形的片段。找到所有采样或者像素在三角形内部的操作叫做三角形遍历。
最终所有在基元内部的像素/采样会送到像素处理阶段。

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5 像素处理阶段

包含两个子阶段：像素着色和合并。

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5.1 像素着色

该阶段是可编程的。

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5.2 合并

这个阶段也叫ROP（raster operations (pipeline)或者render output unit）。这个阶段不完全是可编程的，它是高度可配置的，支持多种效果。
其中一种是z-buffer，绘制透明物体时z-buffer的一个弱点。
还有其他的比如alpha通道和stencil buffer、blending等。
framebuffer通常保存所有系统中的所有buffer。
双缓冲可以解决闪屏问题。

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6 完整的渲染管线

值得注意的是，这里介绍的管线不是唯一的，对于离线渲染有不同的路径；电影产品通常使用micropolygon pipelines，但是射线追踪和路径追踪会延后处理。

还有一种 xed-function pipeline是多年中唯一的渲染管线，之所以叫这个名字是因为支持它的图形硬件不支持灵活的可编程，最后一个该管线的硬件是2006年生产的Nintendo’s Wii。但是本书作为第四版，只介绍可编程GPU。

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进一步阅读和材料

Blinn’s book A Trip Down the Graphics Pipeline是一本比较老的书，用来编写一个基于软件的渲染管线。它是一个很好的材料用来学习渲染管线的细节。
The venerable (yet frequently updated) OpenGL Programming Guide (a.k.a. the \Red Book")提供了图形管线和算法的描述。
这本书的网站realtimerendering.com给出了很多管线图表和渲染引擎实现的链接。