（一）GPU图形绘制管线

《GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人 》读书笔记

同时参考了：http://www.cnblogs.com/Esfog/p/3534435.html

图形绘制管线（rendering pipeline）描述GPU渲染流程，即“给定视点、三维物体、光源、照明模式，和纹理等元素，如何绘制一幅二维图像”。 

图形绘制管线分为三个主要阶段: 

（一）应用程序阶段

使用高级编程语言(C、C++等)进行开发，主要和CPU、内存打交道，诸如碰撞检测、场景图建立、空间八叉树更新、视锥裁剪等都在此阶段执行。在该阶段的末端，几何体数据(顶点坐标、法向量、纹理坐标、纹理等)通过数据总线传送到图形硬件(时间瓶颈) 。

（二）几何阶段

主要负责顶点坐标变换、光照、裁剪、投影以及屏幕映射，该阶段基于GPU进行运算，在该阶段的末端得到了经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色、以及纹理坐标 。

        显示屏是二维的，GPU所需要做的是将三维的数据，绘制到二维屏幕上，并到达“跃然纸面”的效果。顶点变换中的每个过程都是为了这个目的而存在。 

A、顶点坐标变换的先后顺序 ：

（1）Object space，模型坐标空间 。模型文件中的顶点值，这些值是在模型建模时得到的 ，与其他模型物体没有任何参照关系 。

（2）world space coordinate ，世界空间坐标系。将一个模型导入计算机后，就有一个相对于坐标原点 的位置，那么这个位置就是world space coordinate，从object space coordinate到world space coordinate的变换过程由一个四阶矩阵控制，通常称之worldmatrix 。光照计算通常是在world coordinate space(世界坐标空间)中进行的。

（3）eye space，摄像机空间。即以camera(视点或相机)为原点，由视线方向、视角和远近平面，共同组成一个梯形体的三维空间，称之为viewing frustum(视锥) 。

在计算机中每次只能从唯一的视角出发渲染物体。在游戏中，都会提供视点漫游的功能，屏幕显示的内容随着视点的变化而变化。这是因为GPU将物体顶点坐标从world space转换到了eye space。 

（4）project and clip space，投影和剪切空间。

一旦顶点坐标被转换到eye space中，就需要判断哪些点是视点可见的。位于viewing frustum梯形体以内的顶点，被认定为可见，而超出这个梯形体之外的场景数据，会被视点去除(Frustum Culling，也称之为视锥裁剪)。这一步通常称之为“clip(裁剪)”，识别指定区域内或区域外的图形部分的过程称之为 裁剪算法。

从视点坐标空间到屏幕坐标空间(screen coordinate space)事实上是由三步组成: 

1、用透视变换矩阵把顶点从视锥体中变换到裁剪空间的CVV中;

经过图形学前辈们的精心分析，裁剪被安排到一个单位立方体中进行，该立方体的对角顶点分别是(-1,-1,-1)和(1,1,1)，通常称这个单位立方体为规范立方体(Canonical view volume,CVV) 。把顶点从viewing frustum变换到CVV中，这个过程才是我们常说或者听说的“投影”。主要的投影方法有两种:正交投影(也称平行投影，orthogonal)和透视投影（perspective）。 

2、在 CVV进行图元裁剪;

3、屏幕映射:将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上。 

B、图元装配，Primitive Assembly

网格由顶点和索引组成，在之前的流程中是对顶点的处理，在这个图元装配阶段是根据索引将顶点链接在一起，组成线、面单元。 
 

（三）Rasterization 光栅阶段

基于几何阶段的输出数据，为像素(Pixel)正确配色，以便绘制完整图像，该阶段进行的都是单个像素的操作，每个像素的信息存储在颜色缓冲器(color buffer 或者 frame buffer)中。 

屏幕是由像素矩阵构成的，而我们处理的模型只是由有限的顶点构成的，经过图元装配后形成的基本图元(点线面)，我们要把它和

屏幕上的像素区域对应起来，也就是进行像素填充，一般模型的每个顶点都会带有一些基本信息(例如：法线、位置、纹理坐标、颜

色等)，即一个三角面其实只有三个顶点是有基本属性的，而其他填充进来的像素区域是并不直接拥有这些基本属性的,他们的属性都

是通过在顶点间差值计算得来的(其实上面提到的像素应该称为片元fragment)。经过这些处理，模型基本在GPU中已经形成了他所

要绘制到屏幕上的样子了。

注意：光照计算属于几何阶段，因为光照计算涉及视点、光源和物体的世界坐标，所以通常放在世界坐标系中进行计算;而雾化以及涉及物体透明度的计算属于光栅化阶段，因为上述两种计算都需要深度值信息(Z值)，而深度值是在几何阶段中计算，并传递到光栅阶段的。

图形绘制管线（Rendering Pipeline），蓝色筐是可编程的shader阶段 The blue boxes are programmable shader stages.