渲染管线介绍

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大家好，我是阿赵。
渲染管线网上很多人都介绍过，我这个基本上是写给自己的看的一个笔记，各位不用介意。

一、渲染流水线的简单说明：

如果把渲染流水线列出来，大概有这些过程：
CPU模型数据-顶点控制程序 - 曲面细分 - 几何着色器 - 裁剪 - NDC空间 - 屏幕空间 - 光栅 - 片元处理程序 - 帧缓存 - 后处理
其中：
1.CPU处理模型数据阶段，一般游戏引擎都是固定好格式来解析，不需要用户手动处理，只需要用户根据给定的API去组装好数据。
2.曲面细分和几何着色器是可选项，一般都没有。
3.从裁剪一直到光栅化的过程，一般都是底层处理，我们基本不需要操作
4.所以一般对于使用现成3D引擎的人来说，可以干涉的过程就只有顶点控制程序和片元处理程序。这两个过程我们可以通过编写shader来实现，具体能做到的事情就是改变物体的形状和颜色了。

二、每个步骤的具体实现：

如果只是使用3D引擎，其实下面的过程完全可以不看。不过基于了解一下原理会对使用层面也有帮助，或者某一天需要自己写引擎的时候，这些过程的知识还是需要了解一下的。阿赵我在差不多十年前就尝试过自己写引擎，由于能力有限，写出来的引擎只能达到渲染3D模型和播放骨骼动画的程度，不过整个过程应该还是完整的。
下面来逐个步骤说一下：

1、CPU阶段

1.物体剔除

目的:把场景内摄像机不应该看到的东西剔除掉，减少渲染的物体数量
(1)视锥剔除（视锥与物体作碰撞检测）
(2)层级（Layer）剔除
(3)遮挡剔除
这一步都纯CPU的东西，在推入GPU渲染之前，先通过某些条件来过滤掉一部分物体，减轻GPU的渲染压力。不过事情都是相对的，做完这些步骤之后，GPU压力是降低了，但会消耗CPU的性能。所以我感觉做优化的时候要根据自己的情况来控制，如果做得不好，可能就会变成负优化了。
如果能用Layer剔除，这个应该是消耗最小的
然后是视锥的剔除，简单的做一个顶点碰撞检测。先排除掉所有顶点都不在视锥范围内的物体。
最后是遮挡剔除，我个人感觉这个是用CPU和内存性能换GPU性能的一个手段。比如Unity的遮挡剔除功能，它需要把物体先标记为static，然后烘焙，生成遮挡数据，才能根据摄像机看到的范围，把没有看到的物体隐藏掉。

2.渲染排序

目的：确定物体渲染的顺序
半透明物体的渲染一直都是3D引擎里面比较值得研究的问题。可以通过渲染顺序来规定不同的渲染规则。
Unity引擎的规则
(1)渲染顺序<2500为不透明物体
排序顺序：按照离摄像机距离：从前到后排序
(2)渲染顺序>=2500 为半透明物体
排序顺序：按照离摄像机距离：从后到前

3.将信息提交到GPU

通过命令：SetPassCall、DrawCall提交
提交的信息包括：
(1)模型信息
(2)变换矩阵
(3)光源信息
(4)使用的shader
(5)材质球上的参数
到这一步位置，CPU的工作就结束了，剩下的是GPU的工作。

2、顶点处理

作用：改变物体的形状

1.从物体本地坐标(Local)转换到世界坐标(World)

2.从世界坐标转换到摄像机坐标(View)

3.从摄像机坐标转换到裁剪空间坐标(Clip)

这个过程简单的实现就是MVP矩阵和vertexPos相乘，最终把模型的顶点坐标从局部坐标转换到裁剪空间的坐标。
不过在实际编写shader的时候，我们不一定会规规矩矩的就只想得到一个顶点的裁剪空间坐标。我们还可以做很多事情，比如得到法线、切线等数据，比如处理顶点颜色、扭曲顶点位置等，这些我们都可以通过在自定义的数据结构里面加字段，并在顶点程序里面计算好结果，然后把结果保存下来，以便片段着色器使用。

3、光栅化操作阶段

这个阶段只是一个统称，其实在光栅化操作之前，还需要对模型信息进行处理，并转换他们的坐标系，齐次裁剪空间(CVV) - 归一化的设备坐标空间(NDC)- 屏幕坐标(Screen)，我们才能得到实际在屏幕上显示的内容

(1)裁剪

把和视锥裁剪空间相交的三角形，把边缘裁剪掉，生成新的三角形
在裁剪空间只需要判断点的坐标是否超出裁剪范围(cvv空间)，比较容易。生成新三角形这一步，从理论上是需要的，但从实际渲染的角度，究竟是根据裁剪边缘重新生成三角形快，还是把只要有一个顶点在裁剪范围内的三角形都渲染出来快，这个我也不是很确定。

(2)从CVV空间转换成NDC

NDC空间（归一化的设备坐标空间），这是在裁剪空间和屏幕坐标空间中间的一个空间，是把裁剪空间的坐标xyz除以w分量得到，它的三个轴的坐标取值范围都是是-1到1。

(3)背面剔除

目的：如果开启了背面剔除，就需要把处于背面的三角形面部分剔除掉，让它不参加渲染。
判断的方法：
通过三角形3个顶点在NDC坐标里面的关系判断：顺时针是背面，逆时针是正面。属于背面(背对着摄像机)的三角形就可以剔除掉

(4)把NDC坐标转换成屏幕坐标

把NDC的-1到1的取值范围的坐标，转换成在屏幕上面的实际坐标。
计算方式：
ScreenX = NDC.x * pixelWidth/2 + pixelWidth/2;
ScreenY = NDC.y * pixelWidth/2 + pixelWidth/2;

(5)图元装配

之前步骤操作的都是孤立的顶点，从这一步开始，将点通过索引，组装成三角形图形(图元)

(6)光栅化

将之前的三角形图形按照一定单位(可以理解成是像素)分解，可以认为得到的每个片元(片段),就是一个像素。所以可以笼统的理解，我们在片元着色器里面，就是改变某个像素的颜色。

4、片元处理

作用：改变像素颜色

1.光照着色

通过光照模型改变颜色
之前专门分享过关于光照模型的文章，一般的光照模型组成：
环境光+漫反射颜色+高光颜色

2.纹理着色

通过UV坐标去采样纹理贴图，并获得对应的颜色

5、输出合并

作用：决定当前像素点是否应该输出某些内容。
1.Alpha测试
2.模板测试
3.深度测试
4.颜色混合

6、帧缓冲

某一帧的显示输出内容保存在帧缓冲器，获得后可以进行再次处理。

7、后处理

对已经保存的帧缓冲内容，进行后期加工处理