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3D图形渲染管线

2023-01-31 01:07

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3D图形渲染管线

什么是渲染（Rendering）

渲染简单的理解可能可以是这样：就是将三维物体或三维场景的描述转化为一幅二维图像，生成的二维图像能很好的反应三维物体或三维场景（如图1）：

图1：Rendering

什么是渲染管线

渲染管线也称为渲染流水线，是显示芯片内部处理图形信号相互独立的的并行处理单元。一个流水线是一序列可以并行和按照固定顺序进行的阶段。每个阶段都从它的前一阶段接收输入，然后把输出发给随后的阶段。就像一个在同一时间内，不同阶段不同的汽车一起制造的装配线，传统的图形硬件流水线以流水的方式处理大量的顶点、几何图元和片段。

图2显示了当今图形处理器所使用的图形硬件流水线。三维应用程序传给图形处理器一序列的顶点组成不同的几何图元：典型的多边形、线段和点。正如图3所示，有许多种方法来制定几何图元。

图2：图形硬件渲染管线

图3：几何图形的类型

一.顶点变换（Vertex Transformation）：
顶点变换是图形硬件渲染管线种的第一个处理阶段。顶点变换在每个顶点上执行一系列的数学操作。这些操作包括把顶点位置变换到屏幕位置以便光栅器使用，为贴图产生纹理坐标，以及照亮顶点以决定它的颜色。

顶点变换中的一些坐标：

坐标系统：

图4：用于顶点处理的坐标系统和变换

物体空间：
应用程序在一个被称为物体空间（也叫模型空间）的坐标系统里指定顶点位置。当一个美工人员创建了一个物体的三维模型的时候，他选择了一个方便的方向、比例和位置来放置模型的组成顶点。一个物体的物体空间可以与其它物体的物体空间没有任何关系。
世界空间：

一个物体的物体空间和其它对象没有空间上的关系。世界空间的目的是为在你的场景中的所有物体提供一个绝对的参考。一个世界空间坐标系如何建立可以任意选择。例如：你可以决定世界空间的原点是你房间的中心。然户，房间里的物体就可以相对房间的中心和某个比例和某个方向放置了。
建模变换：
在物体空间中指定的物体被放置到世界空间的方法要依靠建模变换。例如：你也许需要旋转、平移和缩放一个椅子的三维模型，以使椅子可以正确地放置在你的房间的世界坐标系统里。在同一个房间中的两把椅子可以使用同样的三维椅子模型，但使用不同的建模变换，以使每把椅子放在房间中不同的位置。
眼空间：
最后，你要从一个特殊的视点（“眼睛”）观看你的场景。在称为眼空间（或视觉空间）的坐标系统里，眼睛位于坐标系统的原点。朝“上”的方向通常是轴正方向。遵循标准惯例，你可以确定场景的方向使眼睛是从z轴向下看。
视变换：
从世界空间位置到眼空间位置的变换时视变换。典型的视变换结合了一个平移把眼睛在世界空间的位置移到眼空间的原点，然后适当地旋转眼睛。通过这样做，视变换定义了视点的位置和方向。
我们通常把分别代表建模和视变换的两个矩阵结合在一起，组成一个单独的被称为modelview的矩阵。你可以通过简单地用建模矩阵乘以视矩阵把它们结合在一起。
剪裁空间：
当位置在眼空间以后，下一步是决定什么位置是在你最终要渲染的图像中可见的。在眼空间之后的坐标系统被称为剪裁空间，在这个空间中的坐标系统称为剪裁坐标。
投影变换：
从眼空间坐标到剪裁空间的变换被称为投影变换。投影变换定义了一个事先平截体（view frustum），代表了眼空间中物体的可见区域。只有在视线平截体中的多边形、线段和点背光栅化到一幅图形中时，才潜在的有可能被看得见。
标准化的设备坐标：
剪裁坐标是齐次形式<x,y,z,w>的，但我们需要计算一个二维位置（一对x和y）和一个深度值（深度值是为了进行深度缓冲，一种硬件加速的渲染可见表面的方法）。
透视除法：
用w除x,y和z能完成这项工作。生成的结果坐标被称为标准化的设备坐标。现在所有的几何数据都标准化为[-1,1]之间。
窗口坐标：
最后一步是取每个顶点的标准化的设备坐标，然后把它们转换为使用像素度量x和x的最后的坐标系统。这一步骤命名为视图变换，它为图形处理器的光栅器提供数据。然后光栅器从顶点组成点、线段或多边形，并生成决定最后图像的片段。另一个被称为深度范围变换的变换，缩放顶点的z值到在深度缓冲中使用的深度缓存的范围内。

二.图元装配（Primitive Assembly）和光栅化（Rasterization）

经过变换的顶点流按照顺序被送到下一个被称为图元装配和光栅化的阶段。首先，在图元装配阶段根据伴随顶点序列的几何图元分类信息把顶点装配成几何图元。这将产生一序列的三角形、线段和点。这些图元需要经过裁剪到可视平截体（三维空间中一个可见的区域）和任何有效地应用程序指定的裁剪平面。光栅器还可以根据多边形的朝前或朝后来丢弃一些多边形。这个过程被称为挑选（culling）。

经过裁剪和挑选剩下的多边形必须被光栅化。光栅化是一个决定哪些像素被几何图元覆盖的过程。多边形、线段和点根据为每种图元指定的规则分别被光栅化。光栅化的结果是像素位置的集合和片段的集合。当光栅化后，一个图元拥有的顶点数目和产生的片段之间没有任何关系。例如，一个由三个顶点组成的三角形占据整个屏幕，因此需要生成上百万的片段。

片段和像素之间的区别变得非常重要。术语像素（Pixel）是图像元素的简称。一个像素代表帧缓存中某个指定位置的内容，例如颜色，深度和其它与这个位置相关联的值。一个片段（Fragment）是更新一个特定像素潜在需要的一个状态。

之所以术语片段是因为光栅化会把每个几何图元（例如三角形）所覆盖的像素分解成像素大小的片段。一个片段有一个与之相关联的像素位置、深度值和经过插值的参数，例如颜色，第二（反射）颜色和一个或多个纹理坐标集。这些各种各样的经过插值的参数是来自变换过的顶点，这些顶点组成了某个用来生成片段的几何图元。你可以把片段看成是潜在的像素。如果一个片段通过了各种各样的光栅化测试（在光栅操作将做讨论），这个片段将被用于更新帧缓存中的像素。

三.插值、贴图和着色
当一个图元被光栅化为一堆零个或多个片段的时候，插值、贴图和着色阶段就在片段属性需要的时候插值，执行一系列的贴图和数学操作，然后为每个片段确定一个最终的颜色。除了确定片段的最终颜色，这个阶段还确定一个新的深度，或者甚至丢弃这个片段以避免更新帧缓存对应的像素。允许这个阶段可能丢弃片段，这个阶段为它接收到的每个输入片段产生一个或不产生着过色的片段。

四.光栅操作(Raster Operations)

光栅操作阶段在最后更新帧缓存之前，执行最后一系列的针对每个片段的操作。这些操作是OpenGL和Direct3D的一个标准组成部分。在这个阶段，隐藏面通过一个被称为深度测试的过程而消除。其它一些效果，例如混合和基于模板的阴影也发生在这个阶段。

光栅操作阶段根据许多测试来检查每个片段，这些测试包括剪切、alpha、模板和深度等测试。这些测试涉及了片段最后的颜色或深度，像素的位置和一些像素值（像素的深度值和模板值）。如果任何一项测试失败了，片段就会在这个阶段被丢弃，而更新像素的颜色值（虽然一个模板写入的操作也许会发生）。通过了深度测试就可以用片段的深度值代替像素深度值了。在这些测试之后，一个混合操作将把片段的最后颜色和对应像素的颜色结合在一起。最后，一个帧缓存写操作用混合的颜色代替像素的颜色。

图5显示了光栅操作阶段本身实际上也是一个流水线。实际上，所有之前介绍的阶段都可以被进一步分解成子过程。