Graphics Processing Unit（GPU），即可編程圖形處理單元， 通常也稱之為可編程圖形硬件。

由于GPU有高并行結(jié)構(gòu)（highly parallel structure），所以GPU在處理圖形數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法方面擁有比CPU更高的效率。圖 1 GPU VS CPU 展示了 GPU 和 CPU 在結(jié)構(gòu)上的差異，CPU 大部分面積為控制器和寄存器，與之相比，GPU擁有更多的 ALU（Arithmetic Logic Unit，邏輯運算單元）用于數(shù)據(jù)處理，而非數(shù)據(jù)高速緩存和流控制，這樣的結(jié)構(gòu)適合對密集型數(shù)據(jù)進行并行處理。CPU 執(zhí)行計算任務(wù)時，一個時刻只處理一個數(shù)據(jù)，不存在真正意義上的并行，而 GPU 具有多個處理器核，在一個時刻可以并行處理多個數(shù)據(jù)。

GPU 采用流式并行計算模式，可對每個數(shù)據(jù)進行獨立的并行計算，所謂“對 數(shù)據(jù)進行獨立計算”，即，流內(nèi)任意元素的計算不依賴于其它同類型數(shù)據(jù)，例如，計算一個頂點的世界位置坐標(biāo)，不依賴于其他頂點的位置。而所謂“并行計算” 是指“多個數(shù)據(jù)可以同時被使用，多個數(shù)據(jù)并行運算的時間和 1 個數(shù)據(jù)單獨執(zhí)行的時間是一樣的”。圖 2 中代碼目的是提取 2D 圖像上每個像素點的顏色值，在 CPU 上運算的 C++代碼通過循環(huán)語句依次遍歷像素；而在 GPU 上，則只需要一條語句就足夠。

其一，object space coordinate 就是模型文件中的頂點值，這些值是在模型建模時得到的，例如，用 3DMAX 建 立一個球體模型并導(dǎo)出為.max 文件，這個文件中包含的數(shù)據(jù)就是 object space coordinate；其二，object space coordinate 與其他物體沒有任何參照關(guān)系，注意，這個概念非常重要，它是將 object space coordinate 和 world space coordinate 區(qū)分 開來的關(guān)鍵。無論在現(xiàn)實世界，還是在計算機的虛擬空間中，物體都必須和一個固定的坐標(biāo)原點進行參照才能確定自己所在的位置，這是 world space coordinate 的實際意義所在。

從 object space coordinate 到 world space coordinate 的變換過程由一個四階矩陣控制，通常稱之為 world matrix。需要高度注意的是：頂點法向量在模型文件中屬于 object space，在 GPU 的 頂點程序中必須將法向量轉(zhuǎn)換到 world space 中才能使用，如同必須將頂點坐標(biāo)從 object space 轉(zhuǎn)換到 world space 中一樣，但兩者的轉(zhuǎn)換矩陣是不同的，準確的說，法向量從 object space 到 world space 的轉(zhuǎn)換矩陣是 world matrix 的轉(zhuǎn)置矩陣的逆矩陣。

每個人都是從各自的視點出發(fā)觀察這個世界，無論是主觀世界還是客觀世界。同樣，在計算機中每次只能從唯一的視角出發(fā)渲染物體。在游戲中，都會提供視點漫游的功能，屏幕顯示的內(nèi)容隨著視點的變化而變化。這是因為 GPU 將 物體頂點坐標(biāo)從 world space 轉(zhuǎn)換到了 eye space。 所謂 eye space，即以 camera（視點或相機）為原點，由視線方向、視角和遠近平面，共同組成一個梯形體的三維空間，稱之為 viewing frustum（視錐）， 如圖 4 所示。近平面，是梯形體較小的矩形面，作為投影平面，遠平面是梯形體 較大的矩形，在這個梯形體中的所有頂點數(shù)據(jù)是可見的，而超出這個梯形體之外的場景數(shù)據(jù)，會被視點去除（Frustum Culling，也稱之為視錐裁剪）。

從視點坐標(biāo)空間到屏幕坐標(biāo)空間 （screen coordinate space）事實上是由三步組成：

1. 用透視變換矩陣把頂點從視錐體中變換到裁剪空間的 CVV 中；2. 在 CVV 進行圖元裁剪；3. 屏幕映射：將經(jīng)過前述過程得到的坐標(biāo)映射到屏幕坐標(biāo)系上。

從物理結(jié)構(gòu)而言，寄存器是 cpu 或 gpu 內(nèi)部的存儲單元，即寄存器是嵌入在 cpu 或者 gpu 中的，而內(nèi)存則可以獨立存在；

從功能上而言，寄存器是有限存儲 容量的高速存儲部件，用來暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。

Shader 編成是基于計算機圖形硬件的，這其中就包括 GPU 上的寄存器類型，glsl 和 hlsl 的著色虛擬機版本就是基于 GPU 的寄存器和指令集而區(qū)分的。

頂點著色器控制頂點坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換過程；片段著色器控制像素顏色計算過程。這樣就區(qū)分出頂點著色程序和片 段著色程序的各自分工：Vertex program 負責(zé)頂點坐標(biāo)變換；Fragment program 負責(zé)像素顏色計算；前者的輸出是后者的輸入。