第二章

• 功能：给定相机，对象，光源等生成二维图像。是实时渲染的底层工具
• 本章重点是功能性介绍，不涉及实现

2. 1 架构

• 每个阶段都是并行的，阶段和阶段也是并行的
• 应用→几何处理→光栅化→像素处理
• FPS与 s/frame 更新频率，赫兹用于显示器的表示
• 概述：
  • 应用阶段：碰撞检测，全局加速，动画，物理模拟等（依赖于具体实现
  • 几何处理：变换，投影，绘制（什么，在哪，如何）
  • 光栅化：生成三角形，找像素
  • 像素处理：颜色，测试，混合

2.2 应用阶段

• 将图元：点，线，三角等送给几何阶段处理
• 进一步：ch18.5 优化该阶段无法并行的问题
• 其他功能：碰撞检测，处理输入，加速算法（如ch19 剔除算法

2.3 几何处理

• 顶点着色→投影→剪裁→屏幕映射

2.3.1 顶点着色器

• 任务：计算位置以及其他位置数据（如法线，纹理坐标

• 作用：设置动画 ch4.4 ch4.5

• 坐标空间

  • 模型空间（可通过实例化生成多个模型而不用复制几个几何图形
  • 模型变换：顶点和法线
  • 世界空间
  • 视图变换
  • 相机空间：轴的约定方向（x右，y上，z看情况

• 任务：顶点着色（可以是任何和着色结果有关的信息 ch3 ch5

• 投影（正交或透视）

  • 矩阵构建 ch4 与表示：通常以矩阵表示以和其他几何变换连接（ch4.7
  • 正交投影的view volume是矩形：转换是平移加缩放
  • 透视投影是视锥体
  • 结果：clip coordinates，是齐次坐标，还未被w除
  • 投影结果：3D→2D,z坐标存在z缓冲区 ch2.5

• 剪裁：投影后裁剪 -1到1

2.3.2可选的顶点处理

• 曲面细分→几何着色→流输出 ch3
• 曲面细分
  • 作用：根据情况生成适量的三角形
  • 组成：外壳着色器，镶嵌器，域着色器
• 几何着色器
  • 作用：粒子生成，烟花爆炸等（由1个点变成多个点组成的正方形
  • 接受图元产生新顶点
• 流输出
  • 作用：粒子模拟，如烟花
  • 将处理后的顶点存起来进一步处理

2.3.3 裁剪

• 只需要立方体内的图元（对应视锥体内的图元
• 超出部分被丢弃，按情况生成新顶点

2.3.4 屏幕映射

• 屏幕映射：x,y通过平移+缩放转换为屏幕坐标
• z坐标
  • OPENGL：-1 到 1
  • DIRECTX：0 到 1
  • 映射到z_1 到z_2 默认0到1，但可设置

如何将整数和浮点数的点映射到像素（和纹理坐标）

• 设一组水平数组，左边为0，像素中心为0.5

  • 则像素范围[0,9] 覆盖了[0.0,10.0)的范围

• 转换：

  $d = floor(c) \\ c=d+0.5$

  • d为像素的索引（离散的
  • c为像素（连续的浮点值

• 像素位置：

  • OPENGL：从左到右，从下到上，零点在左下角
  • DIRECTX：从左到右，从上到下，零点在左上角

2.4 光栅化（扫描转换

• 三角形设置（原始组装）→三角形遍历
• 目的：找到图元内部的所有像素，将二维顶点转换为像素
  • 所以虽然说是三角形，但图元可以是点和线
• 如何判断是否覆盖像素：
  • 取决于管线设置：如设置点采样
    • 最简单的：中心点采样
    • 多个样本超级采样，多重抗锯齿：ch5.4.2
    • 保守光栅化：像素至少一部分重叠 ch23.1.2

2.4.1 三角形设置

• 计算三角形相关数据
• 作用：三角形遍历，几何阶段的着色插值

2.4.2 三角形遍历

• 判断重叠，生成片段，采样方法 ch5.4
• 生成插值数据：如片段的深度等，如透视插值 ch23.1.1

2.5 像素处理

• 像素着色→像素合并
• 对图元内部的像素和样本进行处理

2.5.1 像素着色

• 作用：根据插值后的着色数据，对每个像素片段进行计算，最终生成一种或多种颜色到下一阶段
• 应用：纹理 ch06

2.5.2 合并

• 颜色缓冲区：存储像素信息的数组
• 作用
  • 将计算生成的颜色和缓冲区的合并起来
  • 可见性设置
• 深度缓冲区与z-buffer算法
  • 大小形状与颜色缓冲区相同
  • 算法：离相机近（近的定义可设置），即比缓冲区的值小则写入
  • 算法复杂度 On
  • 弱点：透明物体无法表示
    • 解决方法：先绘制不透明的图元，再从后到前绘制透明图元
    • 或采用与顺序无关的算法 ch5.5
• alpha通道：与颜色缓冲区相关联，提供不透明值
  • 作用：老API中提供alpha测试来丢弃片段
  • 应用：现在可以在像素着色器中丢弃
  • 保证完全透明的片段不会影响z缓冲区
• 模板缓冲区
  • 大小通常为每个像素8位
  • 应用：利用操作符实现类似于模板的效果

一些api提供raster order views, also called pixel shader ordering, 像素着色器排序，支持可编程混合功能

帧缓冲区与双缓冲技术

• 帧缓冲区由上述缓冲区组成
• 双缓冲技术：当图元达到并通过光栅化阶段时，从相机的角度可见的图元将显示在屏幕上。屏幕显示颜色缓冲区的内容。为了避免让人类查看者在图元被光栅化并发送到屏幕时看到它们，使用了双缓冲

进一步

参考：ch5.4.2 ch23.6 ch23.7

总结

• 这里介绍的是实时渲染管线，不是唯一的渲染管线
• 离线渲染管线有别的发展方向，但目前是光追和路径追踪 ch11.2.2

参考

• 顶点着色器：1049
• 三角形遍历：1162
• 透视插值：649
• 深度缓冲区与z-buffer算法：238
• 离线的伪多边形管线：289 1734

进一步：

• 软件渲染器的实现 165
• 图形管道与相关算法 885
• realtimerendering 对应参考

习题

1. 什么是图形渲染管线，分为那些阶段？
2. 描述图形渲染管线每个阶段的具体任务？