【技術美術】GPU渲染管線概述

GPU渲染管線的名稱由來

GPU渲染管線指代GPU渲染圖形的工作過程及其環境。

GPU的工作方式和狹義上分時的CPU不同，GPU類似早期的批處理系統：

1. 工作前需提前配置好輸入和工作參數，運行時不可修改，直到工作結束；
2. 因為GPU一般是為了渲染像素這樣的特定任務，其工作流程固定且有多道工序。

這些特徵很像工廠中的流水線，也因此便獲得了“渲染管線”的名號，前綴GPU則是用於區分“引擎渲染管線”。

GPU渲染管線中的工作步驟

詳解：【技術美術】GPU渲染管線筆記

完全可以把GPU渲染管線看成是一種工廠流水線，那該工廠的產品生產步驟由如下完成：

1. 輸入裝配器階段：準備渲染管線要用的各種數據以及管線設置的配置。
2. 頂點着色器階段：分析頂點數據確定幾何物體在屏幕上的數學位置。
3. 分割階段：可選的能夠自動分割幾何物體的階段。

1. 殼着色器階段：提供分割參數和控制點數據。
2. 細化器階段
3. 域着色器階段：根據控制點和權重產生分割後的新頂點。

4. 幾何着色器階段：可選的能夠根據幾何物體點線面再生成新點線面的階段。
5. 光柵化階段：根據幾何物體的數學位置，確認其在屏幕上的物理像素，並插值頂點數據。

1. 裁剪測試：剔除超出顯示範圍（視口）的那些肯定看不見的像素。
2. 早期深度測試：提前進行深度測試，以減少無效的片段着色器計算。

6. 片段着色器階段：根據頂點數據和各種其他資源給像素進行最終上色。
7. 輸出合併階段：對計算出的新像素數據進行後處理，並決定如何與上次計算的數據混合。

1. Alpha測試：舊管線功能，用於根據Alpha進行剔除，目前用clip()替代，是第一個且可編程的剔除階段。
2. 模板測試：利用可選的模板功能進行像素剔除。
3. 深度測試：利用像素的深度位置進行像素剔除。
4. 混合：決定新的像素顏色如何寫入到顏色附件中。

GPU渲染管線中的資源

緩衝區

緩衝區是GPU中最多的數據類型，實際上下文的紋理、附件也是一種緩衝區，他們的本質都是一個字節數組，只是其數據含義有所不同。

• 頂點緩衝區：存放頂點的緩衝區，頂點數據由用户自行定義，甚至為空也是可以的。
• 索引緩衝區：存儲每個基元頂點對應在頂點緩衝區中位置的緩衝區，如果基元是三角形，那每三個索引，描述一個三角形。
• 常量緩衝區：用户自定義的可選只讀數據緩衝區，可以提供各種渲染時需要的統一數據，例如時間、矩陣之類。

紋理

紋理對應的就是圖片，但需要使用GPU支持的格式進行存儲。GPU對其實現了很多特殊功能，例如按0-1插值訪問，mipmap等。

• 1D紋理、1D紋理數組
• 2D紋理、2D紋理數組
• 3D紋理
• Cube紋理

附件

每次繪製完成後用於存儲最終像素信息的緩衝區。如果將其用於在屏幕上呈現，那一般分辨率與屏幕一致。本質也是紋理，因此每次繪製完後還可以將其反向作為輸入。

• 顏色附件：用於存儲上次繪製的顏色信息，每次繪製新顏色時，需選擇如何覆蓋舊數據，例如混合或直接覆蓋。
• 深度模板附件：像素可以額外存儲深度和掩碼信息，用於處理遮擋時的繪製順序問題，以及利用可選的模板功能來實現自定義效果。

渲染狀態

對管線各種功能的設置，告訴GPU如何處理數據，以及提供一些可選功能，常用的設置如下：

• 基元類型：確定要繪製的基元類型（索引緩衝區的數據結構），如點、線、三角面、四邊面。
• 混合方式：如何混合顏色附件中的舊數據和要寫入的新數據。
• 正面方向和剔除方向：繪製面時可以根據頂點的順逆時針順序判斷其正反方向，可以決定要繪製哪個方向。
• 深度測試、深度寫入、深度偏移：如何進行深度測試，以及是否寫入深度，以及對深度的偏移。
• 模板測試和模板寫入：如何進行模板測試、以及如何寫入模板掩碼數據。

着色器

實現對GPU中部分階段的編程，通過代碼的方式具體控制各種繪製效果的實現。

• 頂點着色器
• 殼着色器
• 域着色器
• 幾何着色器
• 片段着色器