GPU管線各個階段知識點(diǎn)詳細(xì)的分析理解

GPU渲染流水線，是硬件真正體現(xiàn)渲染概念的操作過程，也是最終將圖元畫到2D屏幕上的階段。GPU管線涵蓋了渲染流程的幾何階段和光柵化階段，但對開發(fā)者而言，只有對頂點(diǎn)和片段著色器有可編程控制權(quán)，其他一律不可編程。

簡單總結(jié)GPU管線，這階段中主要是對圖元進(jìn)行操作。首先，將由應(yīng)用階段加載到顯存中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)（由drawCall指定后）作為輸入傳遞給頂點(diǎn)著色器。接著，頂點(diǎn)著色器首先對圖元的每個頂點(diǎn)設(shè)置模型視圖變換及投影變換（即右乘MVP矩陣），然后將變換后的頂點(diǎn)按照攝像機(jī)視椎體定義（即透視投影，或正投影）進(jìn)行裁剪，將不在視野內(nèi)的頂點(diǎn)去掉并剔除某些三角面片。最后到幾何階段的屏幕映射，負(fù)責(zé)把修改過的圖元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系中（即投影到屏幕上）。

到光柵化階段，這一階段主要目的是將每個圖元轉(zhuǎn)換為多個片段，并生成多個片段的位置，由片段著色器負(fù)責(zé)計算每個片段的顏色值。同時，在這階段片段著色器通常會要求輸入紋理，從而對每個片段進(jìn)行著色貼圖。每個片段在被發(fā)送到幀緩沖區(qū)之前，還會經(jīng)歷一些操作，這些操作可能會修改片段的顏色值，其中包括深度測試，模板測試，像素所有權(quán)測試，與當(dāng)前緩沖區(qū)相同位置顏色混合等等。

最后，幀緩沖區(qū)內(nèi)容被交換到屏幕進(jìn)行顯示。

下面會對各個階段每個知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析理解。

一、頂點(diǎn)著色器

頂點(diǎn)著色器是一段類似C語言的程序（即OpenGL的GLSL，或只支持微軟的HLSL，或Unity的Cg），由程序員提供并在GPU上執(zhí)行，對每個頂點(diǎn)都執(zhí)行一次運(yùn)算。頂點(diǎn)著色器可以使用頂點(diǎn)數(shù)據(jù)來計算改頂點(diǎn)的坐標(biāo)，顏色，光照和紋理坐標(biāo)等。在渲染管線中，每個頂點(diǎn)都獨(dú)立的被執(zhí)行。原因在于頂點(diǎn)著色器本身不能創(chuàng)建或刪除頂點(diǎn)，也無法得到頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的關(guān)系，如無法知道兩個頂點(diǎn)是否屬于同一個三角網(wǎng)格。正因這獨(dú)立性，GPU可以并行化處理每一個頂點(diǎn)，提高處理速度。

頂點(diǎn)著色器最重要的功能是執(zhí)行頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換和逐頂點(diǎn)光照。坐標(biāo)變換是改變頂點(diǎn)的位置，把頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間（即將本地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為裁剪坐標(biāo)系）。通過改變頂點(diǎn)位置可以實(shí)現(xiàn)很多酷炫的shader效果，如模擬水面，布料等等，這里后面添加實(shí)例學(xué)習(xí)例子再詳細(xì)說明。頂點(diǎn)著色器的另一功能是向后續(xù)階段的片段著色器提供一組易變（Varying）變量，用于插值計算。

二、圖元裝配

在頂點(diǎn)著色器程序輸出頂點(diǎn)坐標(biāo)之后，各個頂點(diǎn)按照繪制命令（DrawArrays或DrawElements）中的圖元類型參數(shù)和頂點(diǎn)索引數(shù)組被組裝成一個個圖元，并對其進(jìn)行如下圖的圖元操作：

裁剪，處于視椎體以外的圖元將被丟棄，若該圖元與視椎體相交則會發(fā)生裁剪產(chǎn)生新圖元，如下圖：

注意一點(diǎn)，透視裁剪是比較影響性能的過程，因?yàn)槊總€圖元都需要和6個裁剪面進(jìn)行相交計算并產(chǎn)生新圖元。所以一般在x軸，y軸超出屏幕（由glViewPort定義）的部分，這些頂點(diǎn)在視口變換的時候被更高效的直接丟棄，無須產(chǎn)生新圖元。

視椎體在OpenGL中可以通過gluPerspective來定義對應(yīng)的大小結(jié)構(gòu)，在Cocos2dx引擎中，Director類的setProjection方法就定義了cocos的渲染用到的視椎體，大家可以閱讀對應(yīng)的代碼了解學(xué)習(xí)下。

經(jīng)過視椎體裁剪后的頂點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過透視分離（指由硬件做透視除法），得到范圍是[0,1]的歸一化的設(shè)備坐標(biāo)，最后映射到屏幕或者視口上。

三、片段著色器

補(bǔ)充：其實(shí)在光柵化之前，要判斷圖元的朝向，是面向還是背對觀察者，以決定是否需要丟棄圖元。在OpenGL可通過glFrontFace指令來決定哪個方向?yàn)檎?，并通過glCullFace決定需要保留哪一面（別忘了要先打開剔除狀態(tài)設(shè)置才可以調(diào)用指令 glEnable(GL_CULL_FACE);）。這樣設(shè)計的好處是能減少一些不必要的繪制，并減少對GPU的浪費(fèi)。

回到正題，片段著色器同上述的頂點(diǎn)著色器，只是它作用的對象是每一片段，對其進(jìn)行著色貼圖。片元著色器的輸入是根據(jù)那些從頂點(diǎn)著色器中輸出的數(shù)據(jù)插值得到的，其中最重要的渲染技術(shù)之一是紋理采樣。在頂點(diǎn)著色器階段輸出每一頂點(diǎn)對應(yīng)的紋理坐標(biāo)，然后經(jīng)過光柵化階段對三角網(wǎng)格的3個頂點(diǎn)各自紋理坐標(biāo)進(jìn)行插值運(yùn)算后便得到其覆蓋片元的紋理坐標(biāo)，從而在片元著色器中進(jìn)行紋理采樣。如下圖：

四、逐片元操作

這里篇幅原因不一一分析每種測試操作，大家可以通過看書了解對應(yīng)的用途。下面舉混合操作來分析一下。下圖是簡化流程圖：

對于不透明的物體，可以直接關(guān)閉混合Blend操作，這樣片元著色器計算得到的顏色值直接覆蓋更新緩沖區(qū)的顏色值。但對于半透明物體就必須開啟使用混合操作從而讓物體看起來是透明的。開發(fā)過程中無法得到透明效果的原因，往往有可能是沒有開啟混合功能的原因。