什么是图形渲染管线

图形渲染管线是实时渲染的核心组件。渲染管线的功能是通过给定虚拟相机、3D场景物体以及光源等场景要素来产生或者渲染一副2D的图像。
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如上图所示，场景中的3D物体通过渲染流水线转变为屏幕上的2D图像。渲染管线是实时渲染的重要工具，实时渲染离不开渲染管线。图形渲染管线主要包括两个功能：一是将物体3D坐标转变为屏幕空间2D坐标，二是为屏幕每个像素点进行着色。

图形渲染管线流程

渲染管线的一般流程如下图所示：
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分为Application，Geometry Processing，Rasterization和Pixel Processing四个部分（这个是按照Real Time Rendering第四版来进行划分的）。
Application：图像在应用中的处理阶段，此时还是运行在CPU中，暂时还没有使用到GPU。此时，主要定义当下要构建世界的模型图元，对GPU中的各个Shader进行编程和参数设定，最后将图元和这些信息传递给GPU，GPU便可以帮助我们显示对应的每一帧。Application阶段结束以后，需要被渲染的渲染图元会被发送给Geometry Processing阶段由GPU进行进一步的处理（这里所说的渲染图元可以是点，线和三角形）。
Geometry Processing： GPU上的Geometry Processing阶段主要负责对输入的图元进行调整、修改、转换、增删等操作，在这整个阶段中，我们的处理对象是图元，输入的是图元，输出的还是图元。Geometry Processing也可细分成四个阶段：
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  • Vertex Shading Vertex Shading阶段主要有两件事情，一件是计算这些顶点的位置，将这些Vertex从模型空间转换到视角空间；另一件是根据程序员的指令，对这些顶点添加信息，或作出一些修改。Vertex Shader一定要计算每一个Vertex的position（位置），而其他的操作是可选项，由程序员在应用中进行定义。
  • Projection 由于GPU最终是在屏幕上显示我们可以观看到的画面，所以Projection阶段需要决定我们的屏幕具体可以投影出什么内容。通常使用透视投影 (perspective projection)和正交投影 (orthographic projection)。
  • Clipping 裁剪阶段，就是将视野范围外的物体全部剔除掉，最后将不再出现在屏幕上。
  • Screen Mapping 屏幕映射阶段。

Rasterization： 光栅化的目的是将Geometry Processing处理后的得到的图元（primitives）转换成一系列的像素（即picture elements），以方便后续的Pixel Processing，最终输出到屏幕上。
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上面是光栅化和像素处理两个阶段的的过程，可以看出在光栅化阶段又分为Triangle Setup 和 Triangle Traversal两个阶段

  • Triangle Setup 将一个个图元组装起来，会计算图元的边方程和一些其他信息，也就是将各个点连接起来，组成真正的三角形（或者连成线）；
  • Triangle Traversal 为了将图元转换成像素，就需要识别每个图元覆盖了哪些像素；

Pixel Processing： 通过上述的Rasterization阶段，我们就拿到了各个图元对应的像素，最后这个阶段要做的事情就是给每个Pixel填充上正确的颜色，然后通过一系列处理计算，得到相应的图像信息，最终输出到显示器上。

  • Pixel Shading 这个阶段的目的是给输入每一个Pixel赋予正确的颜色，这些颜色的来源可以是纹理、图元的顶点信息和光照信息等；
  • Merging 到了Merging这一阶段，输入的每个Pixel都有相应的颜色信息，被存储在Color buffer，这一阶段就是要整合这些Pixel信息，以得到具体一帧的图像信息，这一阶段也被称作ROP。

最后连起来渲染流水线可表示为：
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注：更多请参考《Real Time Rendering》第四版