淺談GPU的渲染流水線實現(xiàn)

一個渲染流程主要分為三個階段：準備階段，幾何階段，光柵化階段。

準備階段：

1 把數(shù)據(jù)加載到緩存中

2 設置渲染狀態(tài)

3 調用Draw Call

GPU流水線

1.GPU的渲染流水線實現(xiàn)

顏色表示了不同階段的可配置性或可編程性：綠色表示該流水線階段是完全可編程控制的，黃色表示該流水線階段可以配置但不是可編程的，藍色表示該流水線階段是由GPU固定實現(xiàn)的，開發(fā)者沒有任何控制權。實線表示該shader必須由開發(fā)者編程實現(xiàn)，虛線表示該Shader是可選的.

　　2、CPU和GPU的通信

　　1）cpu的工作：把數(shù)據(jù)加載到顯存，設置渲染狀態(tài)，調用draw call。

　　把數(shù)據(jù)加載到緩存：所有數(shù)據(jù)都要從硬盤加載到系統(tǒng)內存，然后網格和紋理，頂點位置、顏色，法線，紋理坐標等數(shù)據(jù)加載到顯存中。

　　設置渲染狀態(tài)：使用哪個頂點著色器和片元著色器，光源屬性，材質等來渲染的過程，渲染狀態(tài)不改，所有網格都會使用一種渲染狀態(tài)。

　　調用draw call：翻譯過來就是繪制命令，由cpu發(fā)出，指向一個要被渲染的圖元列表，通知gpu可以按照上面的設置渲染這些圖元了。我們常說優(yōu)化draw call，是因為cpu準備上述數(shù)據(jù)是個復雜的過程，而gpu繪制卻很快，如果draw call很頻繁，cpu光顧著準備數(shù)據(jù)了，gpu又空等著，結果可想而知，所以每次發(fā)出draw call，我們應該盡可能多準備數(shù)據(jù)給gpu，這樣就可以用盡量少的draw call達到通知gpu快速渲染的效果?？墒侨绾握{一次draw call盡可能多準備數(shù)據(jù)給gpu呢，這需要一個專門的主題了。

　　2）GPU流水線

　　上圖中綠色表示該流水線是完全可編程控制的，黃色表示可以配置但不可以編程的，藍色表示GPU固定實現(xiàn)的，開發(fā)者沒有控制權。虛線框表示該shader是可選的。

　　下面我們逐一看一下：

　　a、頂點著色器：寫shader人員必須要面對的重點部分。顧名思義，該階段處理的是頂點數(shù)據(jù)，重點是這里是單個頂點數(shù)據(jù)，你別想訪問其他頂點數(shù)據(jù)。我們要在這里完成頂點的坐標變換，把頂點從模型空間轉換到齊次裁剪空間，再經透視除法，最終得到歸一化設備坐標（NDC）。還有逐頂點光照，并準備好后面階段需要的其他數(shù)據(jù)，比如紋理坐標，頂點顏色等。

　　b、曲面細分著色器用于細分圖元，幾何著色器用于執(zhí)行逐圖元的著色操作，或產生更多圖元，這兩個階段都是可選的。

　　c、裁剪：上面階段我們得到的NDC是立方體空間，Unity，OpenGL是從（-1，-1，-1）到（1，1，1），DirectX的z是從0到1，完全在該空間內的圖元保留，完全在外面的拋棄，一半在內一半在外的就需要裁剪了，這就是我們視野內的部分。該階段是可配置的，比如我們用自定義的裁剪平面，或裁剪圖元的正面或背面。

　　d、屏幕映射：該階段是不可配置和編程的。這里輸入的坐標是三維的，屏幕映射的任務是把每個圖元的x，y坐標轉換到屏幕坐標系（二維）下，前面NDC我們的x，y在（-1，1）內，所以映射到屏幕上就是個縮放的過程，而最終的屏幕坐標系會和z坐標構成窗口坐標系，傳給光柵化階段。有一點要注意，OpenGL會以屏幕左下角為最小坐標，而DirectX會以左上角為最小坐標。

　　e、三角形設置：不可配置和編程。從這一步開始進入光柵化階段。上個階段輸出的都是三角形頂點，而這個階段我們要用這些頂點和計算出來的三角形邊界組成三角形網格數(shù)據(jù)。

　　f、三角形遍歷：不可配置和編程。檢查每個像素被哪個三角形所覆蓋，而后生成片元，重點是三角形的三個頂點會對覆蓋的每個像素的數(shù)據(jù)進行插值，比如深度和坐標等，記住這點很重要，如下圖所示：

　　g、片元著色器：又是我們重點關心的。這個階段是可編程的（廢話），上面的階段給我們準備好了每個片元的所有數(shù)據(jù)，這個階段就需要發(fā)揮你的能力用這些數(shù)據(jù)輸出片元的顏色了，這里注意的是和前面的頂點著色器處理的單個頂點一樣，這里我們處理的是單個片元，不要去想著訪問其他片元。這個階段可以做很多重要的渲染技術，比如紋理采樣，用前面插值出來的紋理坐標采樣出該片元對應的紋理顏色。

　　h、逐片元操作：這個階段的目的就是進行合并，是高度可配置的。有兩個任務，一是經過一系列測試（模板測試、深度測試）決定每個片元的可見性，一是通過測試后留下的片元要和已存在顏色緩存區(qū)的顏色進行合并，開啟混合的就混合，沒開啟的就直接覆蓋。

　　經過上面的所有計算后就該顯示在屏幕上了，GPU采取多重緩沖的機制，渲染會發(fā)生在后置緩沖中，渲染結束后GPU可以交換到前置緩沖來顯示。