图形渲染管线

概述

图形渲染管线（Graphics Pipeline），简单的说就是把摄像机看到的东西，绘制成一幅2D图像的过程。可以分为3个阶段：
1. 应用程序阶段
2. 几何阶段
3. 光栅化阶段

[图1-1 可编程渲染管线]

应用程序阶段

这个阶段是在CPU上执行的，例如batching，遮挡剔除（occlusion culling）等加速算法。因为视锥裁剪（frustum culling）是在vertex shader之后执行的，这就意味着在视锥体之外的顶点也会有顶点计算开销，所以应当尽量少的向GPU传递无用的顶点。有很多处理这个问题的加速算法，比如八叉树，还有上面提到的遮挡剔除算法。
在这个阶段的最后CPU把模型，渲染指令和贴图发送给GPU，进入几何阶段。

几何阶段

Vertex Shader

通过乘以级联的4x4变换矩阵（MATRIX_MVP）的方式，把顶点从模型空间变换到齐次裁剪空间，方便进行随后Clip/Cull/Setup操作。 以最常见的透视投影为例，在齐次裁剪空间中，把摄像机的视锥体变换成了单位立方体（x，y，z的范围都在[-1, 1]之间）。

[图1-2 视锥体变换过程]

除了对顶点的空间变换之外，还有顶点的UV，法线的变换等，最终将结果存到输出寄存器中，等待传入fragment shader中进行下一步处理。下面是它的工作流程：

[图1-3 vertex shader的工作流程]

图元装配(Primitive Assembly)

接着把顶点装配成图元，一般都是三角形。只有在单位立方体内的才会进入下一阶段，因此，完全在立方体之外的被舍弃，部分在外面的，则会保留在立方体内的部分，并且重新产生顶点装配成新的图元。然后把幸存下来的图元映射到屏幕上（x,y转化成屏幕坐标，z不变，还是[-1, 1]），进入光栅化阶段。

[图1-4 裁剪过程]

p.s. 固定渲染管线中，T&L是同时发生在几何阶段的。把顶点和光照转换到世界空间或者视点空间中，进行光照计算。然而在可编程管线中，光照可以在vertex shader中计算，也可以在光栅化之后，fragment shader中进行逐像素的计算。 因此这里并没有特别写光照部分，以免产生不必要的困惑。

光栅化阶段

光栅化

光栅化是把屏幕空间的二维坐标转化成fragment（fragment可以理解为潜在的像素，通过各种测试的fragment将会被写入后备缓存区(frame buffer)，最终显示在屏幕上）。下面这张图展示了渲染管线的整个过程，可以看到，光栅化阶段把三角形转化成了所占区域的像素点，有点类似Flash中把向量图打散为像素图的过程。

[图1-5 图示化渲染管线]

Fragment Shader

光栅化后的fragment，读取vertex shader中的结果作为输入，计算这个fragment的颜色值。与vertex shader不同，fragment shader能进行贴图操作。下面是它的工作流程：

[图1-6 fragment shader的工作流程]

ROP(Raster Operations)

在将fragment写入后备缓存区之前，会进行各种测试，以判断当前fragment是要写入还是丢弃。

[图1-7 标准opengl和dx的光栅操作]

通过测试的fragment，深度和模板缓存中的值将会被更新。颜色值则会有一个blend操作，将fragment的颜色值和与颜色缓存中对应位置点的像素值做混合操作，最终写入颜色缓存中。

参考文献：
《Real Time Rendering》
《The Cg Tutorial》
http://blog.sina.com.cn/s/blog_754853c1010126u0.html
http://blog.chinaunix.net/uid-20235103-id-2680299.html