《Real-Time Rendering》第四版学习笔记——Chapter 2 The Graphics Rendering Pipeline

引言

渲染管线的主要功能是在给定一个虚拟相机、三维物体、光源以及其他条件的基础上，生成一个二维的图像。

物体在图像中的位置和形状取决于它们的几何特征、环境特征和相机在环境的位置，而物体的外表则取决于材质属性、光源、纹理和着色方程。

一、渲染管线整体结构

实时渲染管线在大体上可以分为四个主要步骤：

1. 应用阶段
2. 几何处理阶段
3. 光栅化
4. 像素处理

每个步骤都包含了若干个子步骤。这里的步骤是功能逻辑上的分割，在实际的实现结构中，有可能会将其中部分步骤合在一起执行。

• 应用步骤是由应用本身来驱动的，因此会在CPU上运行的软件来实现。应用步骤里通常会包括碰撞检测、全局加速算法、动画、物理仿真等等；
• 几何处理阶段用于处理变换、投影，以及其他的几何处理。这个步骤会计算绘制什么、怎样绘制和绘制在哪的问题。该步骤通常运行在GPU上；
• 光栅化用于寻找那些像素在三角形内，并将其作为结果传递到下一步骤；
• 最后是像素处理步骤。该步骤会对每一个像素执行，决定该像素的颜色，同时可能会进行深度测试来决定该像素是否可见，以及颜色混合。

二、 应用阶段

该阶段通常在CPU上运行，所以开发者可以完全控制该阶段。

应用阶段最重要的任务是，在该阶段的末尾，将需要渲染的几何信息被传递给几何处理阶段。

因为是基于软件实现，所以该阶段不会分成各个子阶段，不过可以利用CPU的多核特性来提升性能。

碰撞检测通常在该阶段实现；该阶段也负责接收来自其他来源的输入，如键盘鼠标等；还有加速算法可以在该阶段实现。

三、几何处理

几何处理阶段运行在GPU上，主要负责大部分单三角形和单顶点的操作。

该阶段可以分为四个子阶段：顶点着色、投影、裁剪和屏幕映射。

3.1 顶点着色

顶点着色主要有两个任务：

• 计算顶点位置；
• 评估顶点输出哪些数据，如法线、纹理坐标等。

顶点着色器（vertex shader）:通常情况下，对物体的着色操作会对每个顶点的位置和法线应用光照；仅存储顶点的颜色结果。通常用于顶点相关的数据装配，一般不会执行渲染方程。

模型变换（model transform）：