淺談GPU的渲染流水線實(shí)現(xiàn)

一個渲染流程主要分為三個階段：準(zhǔn)備階段，幾何階段，光柵化階段。

準(zhǔn)備階段：

1 把數(shù)據(jù)加載到緩存中

2 設(shè)置渲染狀態(tài)

3 調(diào)用Draw Call

GPU流水線

1.GPU的渲染流水線實(shí)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(lán)色表示該流水線階段是由GPU固定實(shí)現(xiàn)的，開發(fā)者沒有任何控制權(quán)。實(shí)線表示該shader必須由開發(fā)者編程實(shí)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(shè)置渲染狀態(tài)，調(diào)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(nèi)存，然后網(wǎng)格和紋理，頂點(diǎn)位置、顏色，法線，紋理坐標(biāo)等數(shù)據(jù)加載到顯存中。

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

　　調(diào)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(shè)置渲染這些圖元了。我們常說優(yōu)化draw call，是因?yàn)閏pu準(zhǔn)備上述數(shù)據(jù)是個復(fù)雜的過程，而gpu繪制卻很快，如果draw call很頻繁，cpu光顧著準(zhǔn)備數(shù)據(jù)了，gpu又空等著，結(jié)果可想而知，所以每次發(fā)出draw call，我們應(yīng)該盡可能多準(zhǔn)備數(shù)據(jù)給gpu，這樣就可以用盡量少的draw call達(dá)到通知gpu快速渲染的效果。可是如何調(diào)一次draw call盡可能多準(zhǔn)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(lán)色表示GPU固定實(shí)現(xiàn)的，開發(fā)者沒有控制權(quán)。虛線框表示該shader是可選的。

　　下面我們逐一看一下：

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

　　b、曲面細(xì)分著色器用于細(xì)分圖元，幾何著色器用于執(zhí)行逐圖元的著色操作，或產(chǎn)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(nèi)的圖元保留，完全在外面的拋棄，一半在內(nèi)一半在外的就需要裁剪了，這就是我們視野內(nèi)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(biāo)是三維的，屏幕映射的任務(wù)是把每個圖元的x，y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系（二維）下，前面NDC我們的x，y在（-1，1）內(nèi)，所以映射到屏幕上就是個縮放的過程，而最終的屏幕坐標(biāo)系會和z坐標(biāo)構(gòu)成窗口坐標(biāo)系，傳給光柵化階段。有一點(diǎn)要注意，OpenGL會以屏幕左下角為最小坐標(biāo)，而DirectX會以左上角為最小坐標(biāo)。

　　e、三角形設(shè)置：不可配置和編程。從這一步開始進(jìn)入光柵化階段。上個階段輸出的都是三角形頂點(diǎn)，而這個階段我們要用這些頂點(diǎn)和計(jì)算出來的三角形邊界組成三角形網(wǎng)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(diǎn)是三角形的三個頂點(diǎn)會對覆蓋的每個像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，比如深度和坐標(biāo)等，記住這點(diǎn)很重要，如下圖所示：

　　g、片元著色器：又是我們重點(diǎn)關(guān)心的。這個階段是可編程的（廢話），上面的階段給我們準(zhǔn)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(diǎn)著色器處理的單個頂點(diǎn)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(shù)，比如紋理采樣，用前面插值出來的紋理坐標(biāo)采樣出該片元對應(yīng)的紋理顏色。

　　h、逐片元操作：這個階段的目的就是進(jìn)行合并，是高度可配置的。有兩個任務(wù)，一是經(jīng)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(jìn)行合并，開啟混合的就混合，沒開啟的就直接覆蓋。

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