浅谈渲染流水线
本文将介绍渲染流水线
渲染流水线简介
渲染流水线字面意思就是渲染的流水线，它将渲染的流程分成一个个工序，每个工序会不间断地对没有完成该工序的对象进行处理，这样所有对象都会并行地进行渲染流程，提高了单位时间内的生产量，而性能的瓶颈也将由耗时最长的工序决定。
渲染管线最终的目的就是为了将场景中的3D元素转换为屏幕上的2D图像，输出到用户的屏幕上
下图是在《【技术美术百人计划】图形 1.1 渲染流水线》讲解的PPT里面截的图片，相较于《Shader入门精要》更为详细：
第一张截图为简单版：
第二张截图为详细版：
接下来详细介绍每个阶段的具体操作。
各阶段详细介绍
CPU阶段
应用阶段
应用阶段是所有阶段中唯一在CPU中执行的，它会将渲染所需要的数据从硬盘加载到内存中，再调用Draw Call命令将网格和纹理等数据转换成渲染图元，并加载到显存中，因为显卡访问显存得更快，而且大部分显卡对于内存没有直接的访问权限。
Draw Call实际上就是一个命令，CPU发起，GPU接收，命令指向一个图元列表，GPU根据渲染状态和所有输入的顶点数据进行计算，最终输出到屏幕。
加载到显存后且CPU不会再访问的数据（例如有时可能需要使用网格计算碰撞则需要CPU访问网格数据）会将内存中的该数据移除。
图中应用阶段步骤详细介绍如下：
- 对3D场景中的基本场景数据（包括物体，光源，摄像机，阴影等信息）进行设置。
- 加速算法，粗粒度剔除，剔除摄像机无法看见的物体和光照。
- 设置渲染状态和参数，包括设置物体的顺序，渲染目标，渲染模式，例如物体使用的纹理，着色器，材质信息等。
- 调用Draw Call，输出渲染图元到显存中。
GPU流水线
概述
在CPU调用Draw Call命令GPU进行渲染，GPU渲染过程就是GPU流水线。
GPU通过实现流水化，大大加快了渲染速度（实际上GPU这种并行计算的能力不仅仅应用在渲染中，例如AI，物理模拟等都有大佬通过GPU实现优化），但是开发者无法拥有GPU的绝对控制权，只能通过GPU开放的接口进行操作。
下面介绍在GPU中进行的阶段：
几何阶段
图中几何阶段步骤详细介绍如下：
- 顶点着色器（完全可编程），输入的信息来自CPU输出的顶点信息，处理单位为顶点，注意顶点着色器不能创建或者删除顶点，也无法得知顶点之间的关系。
顶点着色器会对每个输入的顶点进行编程描述的操作，剔除不可见的顶点，再对顶点进行空间变化，并自动对顶点数据进行插值，最终输出裁剪空间下的顶点信息。 可选顶点操作：
- 曲面细分着色器，细分网格，增加顶点
- 几何着色器，执行逐图元的着色操作或通过给定的图元生成更多的图元（比如Unity的粒子系统，原本只是给了粒子的一个顶点位置，但它会生成一个四边形，即两个三角形）
- 投影，将裁剪空间转换到标准设备坐标系(NDC，不同的图像编程接口例如OpenGL或DirectX，NDC的Z轴坐标范围不同，OpenGL的z分量为[-1,1]，DirectX的Z分量为[0,1])。
- 裁剪，会剔除在标准坐标系外的顶点，如果物体部分在坐标系外，会对视野外的顶点剔除，并生成新的顶点。
- 屏幕映射，将标准坐标系转换到屏幕坐标系（不同的图像编程接口屏幕坐标系原点位置不同，OpenGL在左下方，D3D在左上方）。
光栅化阶段
图中光栅化阶段步骤详细介绍如下：
- 三角形设置，根据几何阶段输出的顶点屏幕位置信息，计算三角形边界信息。
- 三角形遍历（获取片元），根据上述边界信息获取被三角形覆盖的所有片元，片元不等同于像素，一个像素可能对应多个片元，根据之后的操作来判断是否保留、混合、舍弃该片元。
部分抗锯齿算法例如SSAA（将一个像素分为4份子样本从而提高采样率），MSAA是在光栅化阶段使用的，
逐片元操作
- 片元着色器（完全可编程），对光栅化阶段后得到的所有片元进行片元着色器编程描述的操作。
颜色混合阶段：
- 透明度测试（透明度阈值）。
- 模板测试，其中模板测试通常用于限制区域，轮廓渲染，渲染阴影。
- 深度测试（测试深度）。
- 混合，根据之前片元着色和各种测试计算的结果，得到最终展示在屏幕的像素。
后处理
后处理步骤实际上应该不算在渲染流水线的工序，它的基本逻辑是通过对渲染流水线输出的2D图像进行再加工，例如炫光（Bloom），抗锯齿（FXAA/TXAA）等等后处理。
参考
- 《【技术美术百人计划】图形 1.1 渲染流水线》
- 《Shader入门精要》