GPU渲染管线——处理流程总结

GPU 图形渲染管线

图形渲染管线（Graphics Rendering Pipeline）是 GPU 渲染三维场景的主要工作流程。它是一个逐步处理的框架，将三维场景的数据转化为屏幕上的二维图像。

渲染管线像是一条“流水线”，输入三维几何数据（顶点、纹理等），经过一系列阶段的处理后，输出最终的像素颜色。

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渲染管线的主要阶段

渲染管线通常分为以下几个阶段：

应用阶段（Application Stage）

• 发生位置：在 CPU 上。
• 作用
  • 准备和提交绘制命令给 GPU。
  • 加载三维模型和纹理数据，处理动画和物理计算。
  • 将顶点数据、纹理数据等传递给 GPU。
• 输出
  • 供后续 GPU 处理的几何数据（顶点位置、纹理坐标等）。

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顶点处理阶段（Vertex Processing Stage）

• 发生位置：在 GPU 上。
• 作用
  • 逐个顶点地处理输入顶点数据。
  • 应用模型矩阵、视图矩阵、投影矩阵，将顶点从三维世界坐标变换到二维屏幕空间（Clip Space）。
  • 传递每个顶点的附加信息（如纹理坐标、法向量）到下一阶段。
• 核心组件
  • 顶点着色器（Vertex Shader）：用户定义的 GPU 程序，用于控制顶点的变换和附加数据的输出。
• 输出
  • 每个顶点在**裁剪空间（Clip Space）**中的位置。

** 图元组装阶段（Primitive Assembly Stage）**

• 发生位置：在 GPU 上。
• 作用
  • 根据顶点数据组装几何图元（如点、线段、三角形）。
  • 为每个图元准备必要的信息（如顶点位置、颜色等）。
• 图元类型
  • 点（Point）。
  • 线（Line）。
  • 三角形（Triangle）。

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** 光栅化阶段（Rasterization Stage）**

• 发生位置：在 GPU 上。
• 作用
  • 将三角形图元转换为屏幕上的像素（称为片段，Fragment）。
  • 剔除不可见部分（例如背面剔除、视锥裁剪）。
• 输出
  • 每个片段的位置和与之相关的属性（如纹理坐标、颜色等）。

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** 片段处理阶段（Fragment Processing Stage）**

• 发生位置：在 GPU 上。
• 作用
  • 为每个片段计算最终的颜色值。
  • 计算包括：
    • 光照（基于法向量和光源位置）。
    • 纹理映射（根据纹理坐标采样颜色）。
    • 环境、漫反射、镜面反射等效果。
  • 可自定义代码通过**片段着色器（Fragment Shader）**实现。
• 输出
  • 每个像素的最终颜色。

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6. 测试与混合阶段（Testing and Blending Stage）

• 发生位置：在 GPU 上。
• 作用
  • 深度测试（Depth Testing）：确定哪个像素在最前面，防止后面的像素覆盖前面的像素。
  • 模板测试（Stencil Testing）：控制像素的绘制区域。
  • 混合（Blending）：处理半透明效果，将新片段的颜色与帧缓冲中的已有颜色混合。
• 输出
  • 最终绘制到帧缓冲区的颜色值。

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渲染管线的整体流程图

CPU: 应用阶段
  ├──> 顶点处理（顶点着色器）
  │       ├──> 图元组装
  │       ├──> 光栅化
  │       │       ├──> 片段处理（片段着色器）
  │       │       ├──> 测试与混合
  │       └──> 最终图像输出
GPU: 图形处理

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固定管线 vs 可编程管线

固定管线（Fixed Pipeline）

• 传统的渲染管线，功能固定且不可修改。
• 只能完成一些基础的图形任务。

可编程管线（Programmable Pipeline）

• 现代 GPU 支持用户自定义代码（着色器）来控制每个阶段的行为。

• 可编程阶段

  包括：

  • 顶点着色器：控制顶点的变换和附加属性。
  • 片段着色器：控制每个像素的最终颜色。

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重要概念

图元（Primitive）

图元是组成几何形状的基本单位：

• 点（Point）。
• 线（Line）。
• 三角形（Triangle）。

裁剪空间（Clip Space）

在顶点着色器中，顶点最终会被变换到一个统一的坐标系统，称为裁剪空间。裁剪空间用于将三维场景投影到屏幕上。

** 片段（Fragment）**

片段是光栅化阶段产生的屏幕像素候选，它包含：

• 像素的位置。
• 与之相关的属性（颜色、深度、纹理坐标等）

帧缓冲区（Frame Buffer）

帧缓冲区是 GPU 存储最终渲染结果的内存区域，最终会显示到屏幕上。

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示例：渲染一个三角形

数据准备（CPU 阶段）：

// 顶点数据
const vertices = [
    -0.5, -0.5, 0.0, // 左下角
     0.5, -0.5, 0.0, // 右下角
     0.0,  0.5, 0.0  // 上顶点
];

渲染流程（GPU 阶段）：

1. 顶点处理：
   • 输入顶点 (−0.5,−0.5,0.0)(-0.5, -0.5, 0.0)(−0.5,−0.5,0.0)。
   • 应用模型、视图、投影矩阵变换。
   • 输出裁剪空间坐标。
2. 图元组装：
   • 将三个顶点组装成一个三角形。
3. 光栅化：
   • 将三角形转换为屏幕上的像素。
   • 输出每个片段的纹理坐标。
4. 片段处理：
   • 根据光照、纹理计算每个片段的颜色。
5. 混合：
   • 将片段的颜色存入帧缓冲区。
6. 显示：

• 发生位置：显示设备（如显示器）。
• 作用
  • GPU 将帧缓冲区中的最终图像数据发送到显示设备。
  • 显示器根据图像数据渲染画面。
• 输出
  • 用户可以看到的最终渲染画面。

渲染流程总述

** 数据输入**

• 从 CPU 向 GPU 提供几何数据（顶点、法线、纹理等）。
• 输入的数据包括：
  • 顶点位置（如 (x,y,z)(x, y, z)(x,y,z)）。
  • 纹理坐标（如 (u,v)(u, v)(u,v)）。
  • 其他属性（如颜色、法线等）。

顶点着色器

• 接收每个顶点的数据，对其进行数学变换。
• 主要输出：
  • 顶点在裁剪空间中的位置。
  • 相关的附加信息（如纹理坐标）。

图元组装

• 根据顶点将基本图元（如三角形）组装成可渲染的形状。

光栅化

• 将三角形分解为片段（像素的候选）。
• 输出片段的纹理坐标、颜色等信息。

** 片段着色器**

• 为每个片段计算最终颜色。
• 可能涉及：
  • 光照计算。
  • 纹理采样。
  • 特殊效果（如法线贴图、环境遮蔽）。

测试与混合

• 深度测试、模板测试等用于确定像素是否可见。
• 处理透明效果时，进行颜色混合。
• 最终输出到帧缓冲区。

显示

• GPU 将帧缓冲区内容发送到显示设备，完成画面的显示。

图形渲染管线的数据示意图

阶段	输入数据	输出数据
应用阶段	顶点、纹理、模型等	准备后的顶点和图元数据
顶点着色器	顶点数据（位置、纹理坐标）	裁剪空间的顶点位置和附加数据
图元组装	顶点数据	几何图元（三角形、线等）
光栅化	图元数据	屏幕上的片段
片段着色器	片段数据（位置、颜色、纹理坐标）	每个片段的颜色
测试与混合	片段数据和深度缓冲	最终像素颜色
显示阶段	帧缓冲区中的图像数据	屏幕上的图像

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