三維圖形渲染管線就是將三維場景轉(zhuǎn)化為一幅二維圖像的過程。

圖像中物體所處位置及外形由其幾何數(shù)據(jù)和攝像機(jī)的位置共同決定，物體外表是受到其材質(zhì)屬性、光源、紋理及著色模型所影響。

管線過程由3個(gè)大的階段組成：

Application（應(yīng)用程序階段）：運(yùn)行在CPU上，能被開發(fā)者完全控制，該過程所做操作包括：

① 準(zhǔn)備場景數(shù)據(jù)

加載模型：Mesh、Material、Shader、Texture（硬盤 --> 內(nèi)存 --> 顯存）

攝像機(jī)（位置、朝向、視錐體）

光源（位置、類型等參數(shù)信息）

② 裁剪和剔除 ：視錐裁剪、背面剔除、遮擋剔除 (Occlusion Culling)

③ 計(jì)算模型視圖矩陣

④ 設(shè)置渲染狀態(tài)（RenderState）

渲染管線內(nèi)部維護(hù)著一些狀態(tài)值。在我們調(diào)用渲染API函數(shù)進(jìn)行繪制之前我們需要設(shè)置這些狀態(tài)值。

這些狀態(tài)值指導(dǎo)GPU如何渲染我們傳遞到顯存的模型和紋理數(shù)據(jù)。我們稱這些狀態(tài)值為“渲染狀態(tài)(Render States) ”。

渲染狀態(tài)包括Shader、Texture、Material、Light內(nèi)部定義的各種狀態(tài)等

最后，發(fā)起DrawCall調(diào)用

Geometry（幾何階段）：負(fù)責(zé)與每個(gè)渲染圖元打交道，進(jìn)行逐頂點(diǎn)、逐多邊形的操作。

其重要任務(wù)是把頂點(diǎn)坐標(biāo)變換到帶有深度的屏幕空間中，再交給光柵器進(jìn)行處理。

可進(jìn)一步分割成：模型視圖變換，頂點(diǎn)著色，[曲面細(xì)分]，[幾何著色]，投影，裁剪及屏幕映射

模型變換：將模型從模型空間變換到世界空間

視圖變換：將各個(gè)模型從世界空間變換到眼空間（攝像機(jī)處于原點(diǎn)）

通常會把這兩個(gè)變換矩陣結(jié)合成modelview矩陣，并將這個(gè)過程稱之為模型視圖變換

頂點(diǎn)著色器：主要功能是修改頂點(diǎn)屬性。如：通過傳入模型視圖矩陣（MVP）進(jìn)行頂點(diǎn)空間變換（位置屬性）、逐頂點(diǎn)光照（顏色屬性）、紋理坐標(biāo)變換（uv屬性）等

頂點(diǎn)著色器的處理單元是頂點(diǎn)，也就是說，輸入進(jìn)來的每個(gè)頂點(diǎn)都會調(diào)用一次頂點(diǎn)著色器。

頂點(diǎn)著色器只能對輸入頂點(diǎn)的相關(guān)屬性進(jìn)行修改、創(chuàng)建和忽略，不可以創(chuàng)建或銷毀任何頂點(diǎn)，而且無法得到頂點(diǎn)與頂點(diǎn)間的關(guān)系。

輸入一般是一個(gè)變換矩陣和一個(gè)相對坐標(biāo)；輸出為眼空間中的坐標(biāo)及每個(gè)頂點(diǎn)所附帶的其他屬性，如顏色、紋理坐標(biāo)

曲面細(xì)分著色器：用于細(xì)分圖元，分為3個(gè)階段。

Control Shader，負(fù)責(zé)把控后續(xù)階段的初始化操作，例如細(xì)化程度（可編程）

處理Control階段的輸出，細(xì)化Patch數(shù)據(jù)（不可編程）

Evaluation Shader的輸入為Patch數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)為頂點(diǎn)著色器所應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)，但是是批量的（可編程）

幾何著色器：輸入是1個(gè)圖元，輸出是N個(gè)圖元（N>=0）

通過Shader程序可以指定Geometry Shader對頂點(diǎn)信息進(jìn)行增減。還有，因?yàn)閷?shí)際增減的是圖元頂點(diǎn)，所以對各種的線段、多邊形、粒子等圖元也可以進(jìn)行增減。

利用Geometry Shader的各種方法被創(chuàng)造出來，因?yàn)榭梢宰杂傻纳啥噙呅?，那么就可以在地面上生長出草的多邊形，或者讓3D角色生長出毛發(fā)等是最基本的使用方法。

在游戲中，還可以把不需要做邏輯交互處理的例如火花等特效的表現(xiàn)，使用Geometry Shader來生成。

注：Geometry Shader通常是在display driver中實(shí)現(xiàn)的，也就是說其實(shí)是由CPU負(fù)責(zé)計(jì)算，當(dāng)重新返回GPU的VS時(shí)，對流水線的影響很大，所以Geometry Shader的實(shí)際效能并不高，甚至是非常低

投影：分為透視投影與正交投影；在眼空間將模型從三維空間投影到二維平面（D3D投影平面為z=1.0，OpenGL為z=-1.0；為了便于理解，可將其定義為視景體近裁截面）

注：上圖為眼空間，D3D為左手系，OpenGL為右手系

投影完成后，會得到歸一化的設(shè)備坐標(biāo)（Normalized Device Coordinates，NDC），方便下一步進(jìn)行硬件裁剪

歸一化x、y分量到[-1.0, 1.0]

歸一化z深度值（D3D：[0.0, 1.0] OpenGL：[-1.0, 1.0]）注：近裁截面為最小深度、遠(yuǎn)裁截面為最大深度；

裁剪：將那些不在攝像機(jī)視野內(nèi)的頂點(diǎn)裁剪掉，并剔除某些三角圖元面片

屏幕映射：將每個(gè)圖元的x、y坐標(biāo)從NDC轉(zhuǎn)換到屏幕空間

注：D3D將屏幕左上角作為原點(diǎn)，x軸向右，y軸向下；OpenGL將屏幕左下角作為原點(diǎn)，x軸向右，y軸向上

Rasterizer（光柵化）：對上個(gè)階段得到的圖元各頂點(diǎn)進(jìn)行插值（z深度值、法線方向、紋理坐標(biāo)、顏色等）來產(chǎn)生屏幕上的像素，并渲染出最終的圖像。

光柵化的任務(wù)主要是決定每個(gè)渲染圖元中的哪些像素應(yīng)該被繪制在屏幕上

三角形設(shè)置：對三個(gè)頂點(diǎn)插值計(jì)算三角形邊上的像素

三角形遍歷：掃描三角形邊上的像素來插值計(jì)算整個(gè)三角形內(nèi)的像素

片元著色器：逐片元的進(jìn)行著色計(jì)算（即逐像素光照）。該階段可以完成很多重要的渲染技術(shù) 如：紋理采樣

逐像素、逐頂點(diǎn)光照差異性主要體現(xiàn)在對于非精細(xì)模型，在執(zhí)行逐頂點(diǎn)光照時(shí)，由于點(diǎn)距較大，在進(jìn)行顏色線性插值的過程中，無法精細(xì)平滑過渡，導(dǎo)致效果變差。

另外逐像素光照可以在渲染時(shí)添加并不存在的表面細(xì)節(jié)。如通過bump貼圖或normal貼圖，在原本平坦的表面表現(xiàn)出近似的凹凸效果。

當(dāng)然，逐像素的計(jì)算量要比逐頂點(diǎn)要大

逐片元操作：有時(shí)也被稱為光柵操作（raster operations ，ROP）或混合操作（blend operations），通過設(shè)置來淘汰一些不合格的片元以及如何合并問題

如果一個(gè)片元通過了所有的測試，新生成的片元才能和顏色緩沖區(qū)中已存在的像素顏色進(jìn)行Alpha混合，并寫入顏色緩沖區(qū)

? Alpha測試：

注1：并非所有顯卡都支持Alpha測試特性，使用前需要檢查顯卡是否有該能力

注2：由于大量片元會在該階段舍棄，Alpha測試可提高含大量透明物件場景的性能

? 模板測試：

注1：若建立模板緩沖區(qū)為8bits，則模板值的范圍為：[0, 255]的整數(shù)；其初始值為清理模板緩沖區(qū)的所設(shè)置的值

注2：若在模板測試時(shí)，關(guān)閉了深度測試，則深度測試始終通過

? 深度測試：

注1：深度值范圍（D3D：[0.0, 1.0] OpenGL：[-1.0, 1.0]），建立深度緩沖區(qū)位數(shù)越多，則深度值的精度就會越高；其初始值為清理深度緩沖區(qū)的所設(shè)置的值

注2：關(guān)閉了深度測試，意味著該片元始終通過深度測試

? Alpha混合：

FrameBuffer（幀緩沖）

幀緩沖器（frame buffer）：在顯卡中硬件實(shí)現(xiàn)，用于存放渲染的最終結(jié)果。分為：單緩沖、雙緩沖（double buffering）、三重緩沖（Triple Buffering）

單緩沖：各個(gè)物體的渲染會直接畫在屏幕上，效率比較低，由于能看到中間繪制過程，會導(dǎo)致屏幕不斷閃爍。一般只用于顯示非動(dòng)態(tài)的圖像

雙緩沖（double buffering）：繪制是在一個(gè)后備緩沖器（backbuffer）中以離屏的方式進(jìn)行的。一旦在后備緩沖器中完成繪制，

通過交換指令（D3為Present、OpenGL為SwapBuffer）就可將后備緩沖器中的內(nèi)容與已經(jīng)在屏幕上顯示過的前臺緩沖器（frontbuffer）中的內(nèi)容進(jìn)行交換，使得一個(gè)完整的幀顯示在屏幕上。

完成交換后，后備緩沖器變?yōu)榍芭_緩沖區(qū)，而前臺緩沖區(qū)變?yōu)楹髠渚彌_區(qū)，為下一幀的繪制工作提前做好準(zhǔn)備。

我們將前后緩沖區(qū)功能互換的行為成為提交（Presenting）。

由于只是將前臺緩沖區(qū)的指針和后備緩沖區(qū)的指針做一個(gè)簡單的交換，提交是一個(gè)運(yùn)行速度很快的操作。

// OpenGL單緩沖glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);glFlush(); //單緩沖的刷新模式;// OpenGL雙緩沖glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);glutSwapBuffers(); //雙緩沖的刷新模式;

三重緩沖（triple buffering）：一個(gè)前臺緩沖區(qū)，兩個(gè)后備緩沖區(qū)。

在開啟了VSync垂直同步時(shí)，若游戲的FPS低于顯示器刷新頻率，三重緩沖可緩解卡頓現(xiàn)象，然而由于存在2個(gè)后備緩沖區(qū)，三重緩沖會導(dǎo)致畫面有一幀的延遲。（見下文說明）

顯示器

以CRT顯示器為例（液晶顯示器原理類似），CRT的電子槍從左到右，從上到下進(jìn)行逐行掃描，掃描完成后顯示器就呈現(xiàn)一幀畫面，隨后電子槍回到初始位置繼續(xù)下一次掃描。

為了把顯示器的顯示過程和系統(tǒng)的視頻控制器進(jìn)行同步，顯示器（或者其他硬件）會用硬件時(shí)鐘產(chǎn)生一系列的定時(shí)信號。

當(dāng)電子槍換到新的一行，準(zhǔn)備進(jìn)行掃描時(shí)，顯示器會發(fā)出一個(gè)水平同步信號（horizonal synchronization），簡稱 HSync；

而當(dāng)一幀畫面繪制完成后，電子槍回復(fù)到原位，準(zhǔn)備畫下一幀前，顯示器會發(fā)出一個(gè)垂直同步信號（vertical synchronization），簡稱 VSync。

顯示器通常以固定頻率（如60HZ）進(jìn)行刷新，這個(gè)刷新率就是 VSync 信號產(chǎn)生的頻率。

將顯卡與顯示器的刷新頻率通過一個(gè)稱為VSync的信號同步起來，保證顯示器上顯示的是一幀完整的畫面，來解決Tearing（撕裂）現(xiàn)象（多幀畫面同時(shí)繪制在顯示器上）。

假設(shè)游戲的FPS是100，顯示器的刷新頻率是75Hz，顯卡將比顯示器快1/3；這意味著，在1個(gè)顯示器刷新周期內(nèi)，顯卡將寫入4/3的幀數(shù)據(jù)，也就是說，下一幀的1/3覆蓋在前一幀之上；

當(dāng)然，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，1/3這個(gè)比例會發(fā)生變化，1/3，2/3，1，1/3，循環(huán)；這種幀與幀之間的不完全覆蓋重合現(xiàn)象就是撕裂現(xiàn)象。

D3DPRESENT_PARAMETERS md3dPP;md3dPP.PresentationInterval = D3DPRESENT_INTERVAL_ONE; // 開啟垂直同步

當(dāng)開啟了垂直同步，若游戲FPS高于顯示器刷新頻率時(shí)，顯卡會將一部分時(shí)間浪費(fèi)在等待上，顯卡必須等待VSync信號的到來才能將繪制好的畫面推送給顯示器，這也使得游戲的最大FPS下降為顯示器的刷新頻率

這避免了顯卡做一些無用的工作，降低顯卡的功耗；然而，VSync技術(shù)也有缺點(diǎn)，會導(dǎo)致玩家輸入的響應(yīng)出現(xiàn)延遲；另外，若游戲的FPS低于顯示器刷新頻率，那么系統(tǒng)的FPS將迅速下降為顯示器刷新頻率的分?jǐn)?shù)倍上，加劇畫面卡頓（Shutter）

Triple Buffering（三重緩沖）可以緩解這一問題，示意圖如下：

然而，從上圖可以看出由于存在2個(gè)后備緩沖區(qū)，三重緩沖會導(dǎo)致畫面有一幀的延遲。