GPU图形绘制管线

GPU图形绘制管线

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图形绘制管线的三个主要阶段

1、应用程序阶段：

使用高级编程语言（C、C++、Java）进行开发，主要和CPU、内存打交道。诸如碰撞检测，空间八叉树更新，视锥裁剪等经典算法都在此阶段进行。

在该阶段的末端，几何体数据（顶点坐标、法线量、纹理坐标、纹理等）通过数据总线传送到图形硬件。

2、几何阶段：

主要负责顶点坐标变换、光照、裁剪、投影以及屏幕隐射，该阶段基于GPU进行运算，在该阶段的末端得到了经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色、以及纹理坐标。

3、光栅阶段：

基于几何阶段的输出数据，为像素（Pixel）正确配色，以便绘制完整图像，该阶段进行的都是单个像素的操作，每个像素的信息存储在颜色缓冲器（color buffer 或者 frame buffer）中。

值得注意的是光照计算属于几何阶段，因为光照计算设计视点、光源和物体的世界坐标，所以通常放在世界坐标体系中进行计算；而雾化以及设计物体透明度的计算术语光栅化阶段，因为上述两种计算都涉及深度值信息（Z值），而深度值信息是在几何阶段计算的，并传递到光栅化阶段的。

2.1 几何阶段

几何阶段的主要工作是“变换三维顶点坐标”和“光照计算”。

根据顶点坐标变换的先后顺序，主要有如下几个坐标空间，或者说坐标类型：

Object space,模型坐标空间

World space,世界坐标空间

Eye space,观察坐标空间

Clip and Project space,屏幕坐标空间

GPU处理流程图

GPU.png

1、从object space 到 world space

object space coordinate：表示模型文件中的顶点值，这些值是在模型建模时就得到的。object space coordinate与其它物体没有任何的参照关系，这是区分object space和world space的关键。（也可以理解为object space的参考系是模型的自身原点，每个模型都会相对自身有一个参考系。）

我们将一个模型导入一个场景中以后，就会给它一个相对于坐标原点的位置，那么这个位置就是 world space coordinate。（这里的坐标原点就是世界坐标的参考系，所有的模型在世界空间都以这个坐标系作为唯一的坐标系。世界坐标空间主要是为了描述物体与物体之间的相对关系。）

光照计算通常在world coordinate space（世界坐标空间）中进行的，当然也可以在 eye coordinate space中得到相同的光照效果，因为同一观察空间中物体之间的相对关系式保存不变的。

注意

顶点法线量在模型文件中术语object space，在GPU的顶点程序必须将法向量转换到world space中才能使用，如同必须将顶点坐标从object space转换到world space中一样，但是两者的转换矩阵式是不同的，准确的说，法向量从object space转换到world space的转化 矩阵式world matrix的转置矩阵的逆矩阵。

2、从world space到eye space

所谓eye space，即以camera（视点或相机）为原点，由视线方向、视角和远近平面，共同组成的一个梯形的三维空间，称之为viewing frustum（视锥）。

Frustum.png

在梯形体内的所有顶点数据时可见的，而超出这个梯形体之外的场景数据，会被视点去除（Frustum Culling，也称之为视锥裁剪）。

3、从eye space 到 project and clip space

裁剪（clip）：在视锥体之外的顶点将会被去除掉（Frustum Culling），这一步称之为“Clip”裁剪。

因为在不规则体重裁剪并非易事，所以裁剪会被安排到一个单位立方体中进行，该立方体的对角顶点分别是（-1，-1，-1）和（1,1,1），通常这个单位立方体为规范立方体（Canonical view volume,CVV）。CVV的近平面（梯形体较小的矩形面）的X、Y坐标对应屏幕像素坐标（做下角是（0,0）），Z坐标则是代表画面像素深度。

所以从视点坐标空间到屏幕坐标空间（screen coordinate space）事实上由三步组成：

（1）、用透视变换矩阵把顶点从视锥体重变换到裁剪空间的CVV中；

（2）、在CVV进行图元裁剪；

（3）、屏幕映射，将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上。

投影：在上述过程中，把顶点从viewing frustum变换到CVV中，这个过程就是我们通常所说的投影。主要的投影方式有两种：正交投影和透视投影。

只有图元完全或部分存在于视锥体内部时，才需要将其光栅化。

2.2 Primitive Assembly and Triangle setup

Primitive Assembly，图元装配，即将顶点根据primitive（原始的连接关系），还原出网格结构。网格由顶点和索引组成，之前的流水线中是对顶点的处理，在这个阶段是根据索引将顶点连接在一起，组成线、面单元。之后就是对超出屏幕外的三角形进行裁剪。

根据右手定则来决定三角面片的法线量，如果法线量朝向视点（法向量与到视点的方向的点积为正），则该面是正面。一般顶点按照逆时针排列，如果该面是反面，则进行背面去除操作（Back-face Culling）。

所有的裁剪剔除计算都是为了减少需要绘制的顶点个数。

附：裁剪的概念

为了减少需要绘制的顶点个数，而识别指定区域内或区域外的图形部分的算法都称之为裁剪。

裁剪算法主要包括：

视域剔除（View Frustum Culling）
背面剔除（Back-Face Culling）
遮挡剔除（Occlusing Culling）
视口裁剪等

处理三角形的过程称之为Triangle Setup。到目前的位置，我们得到了一堆在屏幕坐标上的三角形面片，这些面片都是用于光栅化的（Rasterizing）。

光栅化阶段

光栅化：决定哪些像素被集合图元覆盖的过程（Rasterization is the process of determining the set of pixels covered by a geometric primitive）。

通常的画线算法有：DDA算法、Bresenham画线算法。
区域填充算法有：扫描多边形填充算法、边界填充算法等。

2.3.2 Pixel Operation

Pixel operation又称为Raster operation，是在更新帧缓冲之前，执行最后一系列针对每个片段的操作，其目的是：计算出每个像素的颜色值。

在这个阶段，被遮挡面通过一个被称为深度测试的过程而消除。这齐总包含了很多种计算颜色的方法以及技术。

Pixel Operation主要包括：

1、消除遮挡面。
2、Texture operation，纹理操作，也就是根据像素的纹理坐标，查询对应的纹理直。
3、Blending，混色，根据目前已经画好的颜色，与正在计算的颜色的透明度（Alpha）,混合为两种颜色，作为新的颜色输出。

颜色混合公式：
C = a·b+（1-a）d【over操作符】

其中a是透明度值（Alpha），b表示透明物体的颜色，d表示混合前像素的颜色值，C表示最终计算得到的颜色值。

Note：在场景中绘制透明物体，通常需要对物体进行排序。首先，绘制不透明物体；然后，在不透明物体上方，对透明物体按照由后到前的顺序进行混合处理。

4、Filtering，将正在算的颜色经过某种Filtering（滤波或者滤镜）后输出。可以理解为：经过一种数学运算后变成新的颜色值。

Raster.png