ComputerGraphics-Concepts-Pipeline

一、渲染管线结构

在<<Real-Time Rendering>>一书中将渲染管线从整体上分为了三个阶段：1、应用程序阶段 2、几何阶段 3、光栅化阶段，但是每个阶段都可以细分成更多的流程，这取决于不同管线的设计，并且不同的图形API可能对阶段的划分也有些许差异。

图片来自<<Real-Time Rendering, Third Edition>>，2.1 Architecture

1、应用程序阶段

应用程序阶段主要是在CPU端对图形数据做一些操作和处理，例如场景图更新、碰撞检测、各种CPU端执行的裁剪算法程序等。总之，在这个阶段里，应用程序可以完全掌控图形数据，需要进行什么样的操作完全取决于算法的设计。

2、几何阶段

几何阶段需要进行的操作比较多，但是都主要是集中在顶点变换和光照计算上：

图片来自<<Real-Time Rendering, Third Edition>>，2.3 The Geometry Stage

上图中的Model&View Transform过程其实就是World Transform和View Transform的级联形式，更详细的坐标空间变换过程见下图：

图片来自<<Mathematics For 3D Game Programming And Computer Graphics, 3ED>>， 1.2 Vertex Transformation

以上几种变换都是通过4x4矩阵实现的，下面是矩阵的详细推导过程：

世界变换：

视图变换：

投影变换：

视口变换：

但是第二步中的Vertex Shading，一般是计算光照所需要的各个属性，例如视线方向、光线方向、法线等，这些变量之间会进行一系列的运算，所以首先要保证的就是他们都是处于同一个坐标空间中，才能得到正确的计算结果，理论上任意一个空间都可以，然而大多数情况下都是统一变换到World Space中。

而且，在这一步中所需要计算的顶点属性，也取决于管线所实现的光照与着色模式：扁平、Gouraud、Phong

扁平着色基于多边形，所以只需要计算顶点法线等信息，在光栅化时利用多边形各顶点法线等计算出面法线等信息，然后代入光照方程计算出颜色，最后用此颜色直接填充当前多边形。

Gouraud着色基于顶点，所以当计算出法线等信息后，需要立即代入光照方程计算出顶点颜色，然后在光栅化阶段对顶点色进行插值，最后用插值颜色对多边形进行填充。

Phong着色基于像素，所以和扁平一样在顶点中也只需要计算法线等信息，但是不同的是在光栅化阶段中会对法线等顶点属性进行插值，得到多边形内每个像素对应的属性(像素及其属性称之为片元-Fragment)，最后在进行扫描线转换的时候获取像素的属性值，代入光照方程计算出颜色并填充该像素。

可见，Vertex Shading的实现方法有很多种，但是都取决于光照与着色模式的应用，详细的光照与着色模式介绍参见：

3、光栅化阶段

这个阶段主要任务是图元的光栅化和顶点属性的插值：

图片来自<<Real-Time Rendering, Third Edition>>，2.4 The Rasterizer Stage

参考：

https://fgiesen.wordpress.com/2011/07/09/a-trip-through-the-graphics-pipeline-2011-index/