第二章 渲染流水线

Shader：即着色器，与之关系紧密的就是渲染流水线。可以说，如果不了解渲染流水线的工作流程，就无法说自己对 Shader 已经入门。

渲染流水线的最终目的在于生成或者说是渲染一张二维纹理，即我们在电脑屏幕上看到的所有效果。它的输入是一个虚拟摄像机、一些光源、一些 Shader 以及纹理等。

• 2.1 综述
  要学会怎么使用 Shader， 我们首先要了解 Shader 是怎么工作的。实际上，Shader 仅仅是渲染流水线中的一个环节，想要让我们的 Shader 发挥出它的作用，我们就需要知道它在渲染流水线中扮演了怎样的角色。

• 2.1.2 什么是渲染流水线
  

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  通常认为一个渲染流程分三部分：应用阶段、几和阶段、光栅化阶段。这里仅仅是概念性阶段，每个阶段本身通常也是一个流水线系统，即包含了子流水线阶段。

• 应用阶段
  这个阶段由我们主导，通常有CPU负责实现。开发者有绝对控制权。

  在这个阶段，开发者有3个任务：

  • 首先，需要准备好场景数据，例如摄像机的位置、视锥体、场景中包含了那些模型、使用了哪些光源等等；
  • 其次，为了提高渲染性能，需要做一个粗粒度剔除（culling）工作，以把那些不可见的物体剔除出去，这样就不需要再移交给几何阶段处理；
  • 最后，需要设置渲染状态。这些渲染状态包括但不限于它使用的材质（漫反射颜色、高光反射颜色）、使用的纹理、使用的 Shader 等。这一阶段最重要的输出是渲染所需的几何信息，即 渲染图元。通俗来讲，渲染图元可以是点、线、三角面等。这些渲染图元将会被传递给下一个阶段 - 几何阶段

• 几何阶段
  几何阶段用于处理所有和我们要绘制的几何相关的事情。例如，决定需要绘制的图元是什么，怎样绘制它们，在哪里绘制它们。这一阶段通常在 GPU 上进行。几何阶段负责和每个渲染图元打交道，进行逐顶点、逐多边形的操作。这个阶段可以进一步分成更小的流水线阶段。几何阶段的一个重要任务就是把顶点坐标变换到屏幕空间中，再交给光栅器进行处理。通过对输入的渲染图元进行多步处理后，这一阶段将会输出屏幕空间的二维顶点坐标、每个顶点对应的深度值、着色等相关信息，并传递给下一个阶段。

• 光栅化阶段
  这一阶段将会使用上个阶段传递的数据来产生屏幕上的像素，并渲染出最终的图像。这一阶段也是在 GPU 上运行。光栅化的任务主要是决定每个渲染图元中的哪些像素应该被绘制在屏幕上。它需要对上一个阶段得到的逐顶点数据 （例如纹理坐标、顶点颜色等）进行插值，然后再进行逐像素处理。和上一个阶段类似，光栅化阶段也可以分成更小的流水线阶段

• 提示
  需要把上面的3个流水线阶段和我们将要讲到的 GPU 流水线阶段区分开来。这里的流水线均是概念流水线，是我们为了给一个渲染流程进行基本的功能划分而提出来的。下面要介绍的 GPU 流水线，则是硬件真正用于实现上述概念的流水线。

• 2.2 CPU 和GPU 之间的通信
  渲染流水线的起点是 CPU，即应用阶段。应用阶段大致可分为下面3个阶段：

  • (1）把数据加载到显存中。
  • (2）设置渲染状态。
  • (3）调用 Draw Call。

• 2.2.1 把数据加载到显存中
  所有渲染所需的数据都需要从硬盘 (Hard Disk Drive, HDD） 中加载到系统内存 (Random Access Memory, RAM)中。然后，网格和纹理等数据又被加载到显卡上的存储空间 -- 显存(Video Random Access Memory, VRAM) 中。这是因为，显卡对于显存的访问速度更快，而且大多数显卡对于 RAM 没有直接的访问权利。

  需要注意的是，真实渲染中需要加载到显存中的数据往往复杂许多。例如，顶点的位置信息、法线方向、顶点颜色、纹理坐标等。当把数据加载到显存中后，RAM 中的数据就可以移除了。但对于一些数据来说，CPU 仍然需要访问它们（例如，我们希望 CPU 可以访问网格数据来进行碰撞检测），那么我们可能就不希望这些数据被移除，因为从硬盘加载到 RAM 的过程是十分耗时的。在这之后，开发者还需要通过 CPU 来设置渲染状态，从而“指导”GPU 如何进行渲染工作。

• 2.2.2 设置渲染状态
  什么是渲染状态呢？一个通俗的解释就是，这些状态定义了场景中的网格是怎样被渲染的。例如，使用哪个顶点着色器（Vertex Shader）/片元着色器（Fragment Shader)、光源属性、材质等。如果我们没有更改渲染状态，那么所有的网格都将使用同一种渲染状态。

在准备好上达所有工作后，CPU 就需要调用一个渲染命令来告诉 GPU：“嘿！老兄，我都帮你把数据准备好啦，你可以按照我的设置来开始渲染啦！”而这个谊染命令就是 Draw Call.

• 2.2.3 调用 Draw Call
  相信接触过渲染优化的读者应该都听说过 Draw Call。 实际上，Draw Call 就是一个命令，它的发起方是CPU，接收方是GPU。这个命令仅仅会指向一个需要被渲染的图元 (primitives）列表,而不会再包含任何材质信息 -- 这是因为我们己经在上一个阶段中完成了！
  当给定了一个Draw Call 时，GPU 就会根据渲染状态（例如材质、纹理、著色器等）和所有输入的顶点数据来进行计算，最终输出成屏幕上显示的那些漂亮的像素。而这个计算过程，就是GPU 流水线。

• 2.3 GPU 流水线
  当 GPU 从 CPU 那里得到渲染命令后，就会进行一系列流水线操作，最终把图元渲染到屏幕上。

  • 2.3.1 概述
    在上一节中，我们解释了在应用阶段，CPU 是如何和GPU 通信，并通过调用 Draw Call 来命令 GPU 进行渲染。GPU 谊染的过程就是 GPU 流水线。对于概念阶段的后两个阶段，即几何阶段和光栅化阶段，开发者无法拥有绝对的控制权，其实现的载体是 GPU。 GPU 通过实现流水线化，大大加快了渲染速度。虽然我们无法完全控制这两个阶段的实现细节，但 GPU 向开发者开放了很多控制权。在这一节中，我们将具体了解 GPU 是如何实现这两个概念阶段的。
    几何阶段和光栅化阶段可以分成若干更小的流水线阶段，这些流水线阶段由 GPU 来实现，每
    个阶段 GPU 提供了不同的可配置性或可编程性。

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