渲染流水线详解 |《GPU编程与CG语言》笔记（一）

最近几天看了《GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人》这本书，书的内容和之前看的《Unity Shader入门精要》很相似，但是侧重点有所不同。因此，下面的三篇文章是在阅读《GPU》之后，结合之前一本书的内容，做一些更深入的理解或逻辑的理顺。

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这一篇文章是对渲染流水线的知识做一下进一步理解。老生常谈地，渲染流水线分为应用阶段、几何阶段、光栅化阶段。

应用阶段

主要使用高级语言，在应用层面准备数据。本书中举例如碰撞检测、场景图建立、空间八叉树更新、视锥裁剪等。

我理解的是：我们在Unity的shader文件中声明了变量（例如vertex、normal等），应用阶段是在这些变量被传到shader之前做的事情。

几何阶段

包括顶点坐标变换、光照、裁剪、投影、屏幕映射等操作。

顶点坐标变换

顶点坐标变换就是《Unity》一书第四章中的几个坐标系之间的转换。其余的几个步骤其实包含在顶点坐标变换的过程中。

• 模型空间
  需要注意的是从模型空间转变到世界空间下，不只顶点坐标要变换，法线也要跟着变化，法线的变换矩阵是顶点变换矩阵的逆转置矩阵。推导过程详见《Unity》一书第四章4.7节。

• 世界空间

• 相机空间
  相机空间到裁剪空间的映射过程通常称为投影，可分为透视投影和正交投影。

• 投影/裁剪空间
  在裁剪空间做裁剪，把视锥之外的顶点剔除。
  这一个步骤将模型作为一个整体，对顶点进行剔除。如果一个模型对所有顶点都在视锥里，则保留；如果顶点全不在视锥里，则剔除；如果一部分在一部分不在则依具体算法计算。这一步不涉及到对具体三角形片元的裁剪。

• NDC空间

• 屏幕空间

图元装配

上述变换都是对顶点的操作，在这一步骤中，我们根据顶点坐标和索引构建出三角形网格。

• 三角形剔除
  不在视锥内的三角形剔除。

• 三角形裁剪
  对有一部分在视锥内的三角形裁剪，先裁剪成四边形，再拆成两个三角形。

• 背面剔除
  使用右手定则确定法线方向，法线方向和视线方向的点积为正，说明该三角形正面朝向相机，否则该三角形背对相机，会被剔除。但是可以设置是否进行背面剔除，如《Unity》一书使用透明度检测实现透明效果时，就关闭了背面剔除。

这一阶段结束后，我们得到了一些三角形面片用于下一步的光栅化。

光栅化阶段

像素位置计算

将顶点的屏幕坐标转换为像素位置，并使用一定的算法计算出每一条线（三角形设置）和面（三角形遍历）占用的像素位置。

像素颜色计算

1. 深度/模版检测
2. 纹理
3. 混合（Blending）

深度缓冲（Z-buffer）

Z-buffer中储存的z值并不是欧氏距离，而是一个相对的值。我们只储存了顶点的z值，内部像素点的z值需要通过插值获得，而得到的z值并不能反应真实的空间点的深度关系，有可能获得错误的结果。

如下图所示，A、E是顶点，B、C、D为真实的深度，而B'、C'、D'为插值计算出来的深度。

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Tips：
坐标变换时旋转、缩放、平移的顺序：
--缩放变换不改变坐标轴的走向，也不改变原点的位置，所以两个坐标系仍然重合。
--旋转变换改变坐标轴的走向，但不改变原点的位置，所以两个坐标系坐标轴不再处于相同走向。
--平移变换不改变坐标轴走向，但改变原点位置，两个坐标系原点不再重合。
因此，变换顺序只能是 缩放 -> 旋转 -> 平移 。

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图片来自 东隆咚