渲染中的GPU流水线

Posted 2021-09-04 Z_hongli

渲染中的GPU流水线

简述：
（1）CUP通过调用Draw call来命令GPU进行渲染，GUP的渲染过程就是GUP流水线。
（2）对于概念阶段的后面两个阶段：几何阶段和光栅化阶段，开发者没有绝对的控制权，但是GPU还是向开发者开放了很多控制权限，其实现的载体是GPU。

几何阶段和光栅化阶段可以分成若干更小的流水线阶段，这些流水线阶段由GPU来实现，每个阶段GPU提供了不同的可配置性或可编程性。图2.6中展示了不同的流水线阶段以及它们的可配置性或可编程性。

GUP流水线的渲染过程（结合上图）：

几何阶段：
（1）顶点数据：GUP的渲染流水线接收顶点数据作为输入。这些顶点数据是由应用阶段加载到显存中，再由Draw Call制定，随后被传递给顶点着色器。
（2）顶点着色器：顶点着色器是完全可编程的，它通常用于实现顶点的空间变换、顶点着色等功能。
（3）曲面细分着色器：一个可选的着色器，它用于细分图元。
（4）几何色器：一个可选的着色器，它可以被用于执行逐片元的着色操作，或者被用于产生更多的图元。
（5）裁剪： 这一阶段的透视除法后的是将那些不在摄像机视野内的顶点裁剪掉，并剔除某些三角图元的面片。这个阶段是可配置的。例如，我们可以使用自定义的裁剪平面来配置裁剪区域，也可以通过指令控制裁剪三角图元的下面还是背面。
（6）屏幕映射：这一阶段是不可配置和编程的，它负责把每个图元的坐标转换到屏幕坐标系中。

几何阶段的任务：用于处理我们要绘制的几何相关的事情，例如要绘制的图元是什么，怎么绘制；重要任务是把顶点坐标变换到屏幕空间中，再交给光栅器进行处理。

光栅化阶段：
（1）三角形设置：固定函数(Fixed-Function) 的阶段。
（2）三角形遍历：固定函数(Fixed-Function) 的阶段。
（3）片元着色器：完全可编程的，它用于实现逐片元(Per-Fragment) 的着色操作。
（4）逐片元操作：负责执行很多重要的操作，例如修改颜色、深度缓冲、进行混合等，它不是可编程的，但具有很高的可配置性。

光栅化阶段的任务：这一阶段将会使用上一个阶段传递的参数来生产像素，并渲染出最终的图像；主要任务是决定每个渲染图元中那些像素应该被绘制在屏幕上。

顶点着色器
特点：
（1）处理单位是顶点，输入进来的每个顶点都会调用一次顶点着色器。
（2）其本身不能够创建或者摧毁一个顶点，而且无法得到顶点与顶点之间的关系。
（3）每个顶点独立并行处理，处理速度很快。

需要完成的工作：
1）坐标变换；2）逐顶点光照；3）输出后续阶段所需要的数据

坐标变换
对顶点的坐标(即位置)进行某种变换。项点着色器可以在这一步中改变顶点的位置，这在顶点动画中是非常有用的。
例如，我们可以通过改变顶点位置来模拟水面、布料等。但需要注意的是，无论我们在顶点着色器中怎样改变项点的位置，一个最基本的顶点着色器必须完成的一个工作是：把顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间

o.POs=mul (UNITY_MVP, V.position);

类似上面这句代码的功能，就是把顶点坐标转换到别齐次裁剪坐标系下， 接着通常再由硬件做透视除法后，最终得到归一化的设备坐标(Nomalied Device Cordinates，NDC).图28展示了这样的一个转换过程。

需要注意的是：
（1）图2.8给出的坐标范围是OpenGL同时也是Unity使用的NDC,它的Z分量范围在[1,1]之间，而在Direex中，NDC 的z分量范围是[0, 1]。

（2）项点着色器可以有不同的输出方式。最常见的输出路径是经光栅化后交给片元着色器进行处理。而在现代的Shader Model中，它还可以把数据发送给曲面细分着色器或几何着色器。

裁剪
（1）完全在摄像机视野范围中的图元保留、部分在摄像机视野范围中的图元裁剪、完全不在摄像机视野范围中的图元不会再向下传递。
（2）不可编程，可配置。