渲染管线概述

渲染管线简介¶

渲染管线的主要功能是决定在给定虚拟相机、三维物体、光源、照明模式，以及纹理等诸多条件的情况下，生成或绘制一幅二维图像的过程。

主要可分为三个阶段

阶段	说明
应用程序阶段	通过软件的方式实现某些操作（如碰撞检测），将需要在屏幕上绘制的几何体传输到GPU渲染管线当中，以此优化渲染性能
几何阶段	进行逐顶点、逐多边形的操作，包括MVP变换、裁剪、屏幕映射等操作。这阶段会输出每个顶点的屏幕坐标、深度值以及与着色有关的信息
光栅化阶段	对屏幕坐标上的图元进行光栅化，转成像素；再逐像素进行着色器；最后进行混合等操作

应用程序阶段发生在CPU当中，它的目的在于将需要渲染的数据传输给GPU、控制GPU完成渲染流程。因此，实际上就是要完成CPU与GPU之间的通信。

应用程序阶段大致也可分为三个阶段

应用程序阶段	说明
把数据加载到显存当中	1. 渲染数据可能来自硬盘或网络，需要将它们加载到系统内存（RAM）当中 2. 为提高性能，可以做一些粗粒度的剔除操作，把不可见的物体剔除，可见的物体才传输到显存当中（还可做一些其他操作优化效率，如LOD调度）
设置渲染状态	告诉GPU，数据应该如何被渲染，例如使用哪个顶点、片元着色器，光源属性、材质是什么（在同一份渲染状态，不同网格渲染出来的外观是一样的）
调用Draw Call	给GPU发送指令，通知它渲染哪个网格

除了应用程序阶段在CPU上执行外，剩下的几何阶段与光栅化阶段都在GPU中执行，因此也把它俩合起来称为GPU渲染管线。

与应用程序阶段所不同的是，开发者对GPU渲染管线无法拥有绝对的控制权

输入、阶段、输出	说明
顶点数据	由应用程序阶段传输到显存中，并由DrawCall指定，再传输到顶点着色器当中
顶点着色器	逐顶点处理，通常实现MVP变换（模型坐标转到齐次裁剪空间）
曲面细分着色器	可选阶段。用于细分图元
几何着色器	可选阶段。逐图元操作、或被用于产生更多图元，即能够高效地创建和销毁顶点
裁剪	对与视锥相交的三角形进行裁剪。此阶段是可配置的，例如 1. 使用自定义裁剪平面来配置裁剪区域 2. 通过指令控制裁剪三角图元的正面还是背面
屏幕映射	将图元的顶点坐标转换到屏幕坐标系中
三角形设置	计算三角形表面的差异和其他相关数据
三角形遍历	遍历三角形内所有的像素
片元着色器	逐像素调用片元着色器，可以在片元着色器里完成一些计算，如计算复杂的着色方程
合并阶段	对每个片元结果进行合并，涉及的操作有：模板缓冲、Z缓冲、颜色混合等等

早期的渲染管线采用的是立即渲染模式(Immediate mode，也就是固定渲染管线)，它不允许开发人员改变GPU渲染的方式。

核心渲染默认(Core-profile mode)允许开发人员定制化GPU的渲染方式，上文讨论的都是这种模式