Realtime Rendering 3rd笔记 1

About: 这个系列blog是在阅读Realtime Rendering 3rd过程中记录的东西，并不是完全的翻译，只是挑了一部分重点，有些地方加上了自己的理解。有些介绍性的章节翻译的比重比较多，技术性的章节可能只记录核心思想，没有逐字翻译。

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Chapter 2 The Graphics Rendering Pipeline

流水线的速度由最慢的环节决定。 概念性的stage可细分为功能stages,功能stage可以成为流水线stage也可以不成为。流水线stage是可以同时执行的。例如两个功能stage可以合并为一个流水线stage，某个功能stage被划分为多个流水线stage。

FPS和Hz: fps是每秒钟渲染的帧数，程序生成一帧图像的时间通常是变化的，因此fps表示某个特定帧的速度或者表示一段时间的平均性能。 Hertz(Hz)是1/seconds的记号。Hz用于硬件设备，比如显示器，被设置为固定的速度。

实际fps的计算举例： 输出设备的最大更新频率是60Hz,流水线瓶颈阶段的时间消耗是62.5ms， 那么不考虑输出设备时，最大的渲染速度是1/0.0625=16fps。 然后将这个值匹配到输出设备的频率。 60Hz意味着渲染速度可以是60Hz,60/2=30Hz,60/3=20Hz,60/4=15Hz,60/5=12Hz等等。 这意味着我们能期望的渲染速度是15Hz，因为这是比16Hz小的输入设备可到达的最大固定速度。

三个概念性stage：

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application stage: 程序控制，软件实现，cpu执行。例如：碰撞检测，全局加速算法，动画，物理模拟等。 这个阶段的最重要的任务是产生rendering primitives。因为是软件实现，app stage就不能被划分为多个substages。 然而为了提高性能，app stage可以在多个处理器核心上平行执行，即超标量架构：在同一时间同一个stage上运行多个进程。

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geometry stage: 处理变换投影等，计算画什么，如何画，画在哪儿。通常由GPU执行。GPU包含很多可编程核心，以及固定操作硬件。 geo stage主要负责per-polygon,per-vertex的操作。

geo stage被细分为这几个功能stage: model and view transform, vertex shading, projection, clipping, sreen mapping. 根据实现的不同，这些功能stages可能等价也可能不等价于流水线stage. 在某些情况下，很多连续的功能stages组成一个单一的流水线stage（这个流水线stage和其他的流水线stage并行运行） 另外一些情况下，一个功能stage可能被划分进几个小的流水线stages。

screen mapping时浮点坐标到像素坐标的确定： dx9(以及之前)中0.0是像素的中心，像素范围[0,9]覆盖了[-0.5,9.5). opengl和dx10(以及之后）中0.5是像素的中心，像素范围[0,9]覆盖了[0.0,10.0)。计算公式为：d=floor(c), c=d+0.5,其中d为像素索引，c为连续的浮点坐标

opengl和directX的差异：opengl总使用笛卡尔坐标系，左下角是最小值，而dx某些地方定义左上角为最小值。

clipping和screen mapping是用固定功能的硬件单元实现的。（非可编程）

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rasterizer stage: 使用上一个stage生成的数据绘制一幅图像，以及任意逐像素计算。完全由GPU执行。 pixels = picture elements

光栅化进行顶点到像素的转换(opengl中图元到片段的转换） 包括以下功能阶段：Triangle Setup -> Triangle Traversal -> Pixel Shading -> Merging

Triangle Setup && Triangle Traversal两个stage： 大概就是计算扫描插值。由固定功能硬件单元实现

pixel shading： 在opengl中，pixel shading即fragment shading是不包含在光栅化阶段中的。pixel shading阶段最重要的技术是texturing。ps通常是可编程的。

Merging阶段： 相当于opengl的per-fragment operations，opengl中紧接在fs之后，也是不包含在光删化中的。

merging包括alpha test(可能没有，比如dx10，gles2.0），stencil/depth test, blending等。 (alpha test主要用来保证全部透明的fragment不会影响z-buffer，也就是说如果半透明物体和不透明的物体混在一起绘制，可以通过alpha test避免z buffer被弄错）

frame buffer通常包括系统的所有buffer，但有时仅指color buffer和z buffer。1990年，accumulation buffer出现了，在这个buffer中图像可以被累加计算，实现：motion blur, depth of field, antialiasing, soft shadows等效果。 当图元通过光栅化阶段后，从当前视点可见的图元被显示到屏幕上，屏幕显示color buffer的内容，为了防止人看到更新的过程，double buffering被使用。 即，绘制是在back buffer上进行的，当绘制完成后，back buffer和front buffer进行交换，交换在vertical retrace(竖直回描)期间进行，这个期间是安全的。

总结： 这个流水线是10多年来实时渲染方面API和图形硬件进化的结果。 需要重要说明的是，这不是唯一的流水线类型。离线渲染经历了不同的进化路径。 电影渲染最常用的是micropolygon流水线，学术研究和预渲染程序例如建筑预现通常使用ray tracing渲染器。 多年以来，这个过程开发者可以用的唯一的方式是固定功能流水线，通过修改一些状态来使用，但不能改变执行的顺序。 最近（很可能是最后）的固定功能流水线机器是任天堂的Wii。