GPU渲染過程的幾個階段

GPU的渲染流水線的主要任務(wù)是完成3D模型到圖像的渲染（render）工作。常用的圖形學(xué)API編程模型中的渲染過程被分為幾個可以并行處理的階段，分別由GPU中渲染流水線的不同單元進(jìn)行處理。GPU輸入的模型是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（或語言）定義的對三維物體的描述，包括幾何、方向、物體表面材質(zhì)以及光源所在位置等；而GPU輸出的圖像則是從觀察點(diǎn)對3D場景觀測到的二維圖像。在GPU渲染流水線的不同階段，需要處理的對象分別是頂點(diǎn)（vertex）、幾何圖元（primitive）、片元（fragment）、像素（pixel）。

如圖1-1所示，典型的渲染過程可以分為以下幾個階段：

1．頂點(diǎn)生成

圖形學(xué)API用簡單的圖元（點(diǎn)、線、三角形）表示物體表面。每個頂點(diǎn)除了( x , y , z ) 三維坐標(biāo)屬性外還有應(yīng)用程序自定義屬性，例如位置、顏色、標(biāo)準(zhǔn)向量等。

2．頂點(diǎn)處理

本階段主要是通過計算把三維頂點(diǎn)坐標(biāo)映射到二維屏幕，計算各頂點(diǎn)的亮度值等。這個階段是可編程的，由vertex shader完成。輸入與輸出一一對應(yīng)，即一個頂點(diǎn)被處理后仍然是一個頂點(diǎn)，各頂點(diǎn)間的處理相互獨(dú)立，可以并行完成。

3．圖元生成

根據(jù)應(yīng)用程序定義的頂點(diǎn)拓?fù)溥壿?，把上階段輸出的頂點(diǎn)組織起來形成有序的圖元流。頂點(diǎn)拓?fù)溥壿嫸x了圖元在輸出流中的順序，一個圖元記錄由若干頂點(diǎn)記錄組成。

4．圖元處理

這一階段也是可編程的，由geometry shader完成。輸入和輸出不是一一對應(yīng)，一個圖元被處理后可以生成0個或者多個圖元，各圖元處理也是相互獨(dú)立的。本階段輸出一個新的圖元流。

5．片元生成

這一階段將對每一個圖元在屏幕空間進(jìn)行采樣，即光柵化。每一個采樣點(diǎn)對應(yīng)一個片元記錄，記錄該采樣點(diǎn)在屏幕空間中的位置、與視點(diǎn)之間的距離以及通過插值獲得的頂點(diǎn)屬性等。

6．片元處理

片元處理階段是可編程的，由pixel shader完成，主要完成圖形的填色功能。模擬光線和物體表面的交互作用，決定每個片元的顏色及透明程度等屬性。

7．像素操作

用每個片元的屏幕坐標(biāo)來計算該片元對最終生成圖像上的像素的影響程度。本階段計算每個采樣點(diǎn)離視點(diǎn)的距離，丟棄被遮擋住的片元。當(dāng)來自多個圖元的片元影響同一個像素時，往往都根據(jù)圖元處理輸出流中定義的圖元位置進(jìn)行像素更新。

下面以繪制一朵玫瑰為例來說明GPU圖形流水線的工作流程。

首先，GPU從顯存讀取描述玫瑰3D外觀的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成一批反映三角形場景位置與方向的頂點(diǎn)；

由vertex shader計算2D坐標(biāo)和亮度值，在屏幕空間繪出構(gòu)成玫瑰的頂點(diǎn)；

頂點(diǎn)被分組成三角形圖元；

geometry shader進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，生成更多圖元；

隨后，GPU中的固定功能單元對這些圖元進(jìn)行光柵化，生成相應(yīng)的片元集合；

由pixel shader從顯存中讀取紋理數(shù)據(jù)對片元上色和渲染；

最后一個階段，根據(jù)片元信息更新玫瑰圖像，主要是可視度的處理。

由ROP完成像素到幀緩沖區(qū)的輸出，幀緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A輸出到顯示器上以后，就可以看到繪制完成的玫瑰圖像了。

圖 1-1

圖形渲染過程具有內(nèi)在的并行性：頂點(diǎn)之間、圖元之間、片元之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性很弱，對它們的計算可以獨(dú)立并行進(jìn)行。這使得通過并行處理提高吞吐量成為可能。

首先，渲染流水線具有時間上的功能并行。流水線的各級可以同時工作，當(dāng)各級都能滿負(fù)荷工作時，能夠獲得最高性能。

其次，渲染流水線具有數(shù)據(jù)并行性。不僅可以通過SIMD提高每一個可編程著色器的性能，還可以在一個GPU內(nèi)集成多條渲染流水線實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。