细说图形学渲染管线

细说图形学渲染管线

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  • 概述 (Introduction)
三维场景转为屏幕图形的过程,图片来自RTR,4th


图形渲染管线是实时渲染的核心组件。渲染管线的功能是通过给定虚拟相机、3D场景物体以及光源等场景要素来产生或者渲染一副2D的图像。如上图所示,场景中的3D物体通过管线转变为屏幕上的2D图像。渲染管线是实时渲染的重要工具,实时渲染离不开渲染管线。图形渲染管线主要包括两个功能:一是将物体3D坐标转变为屏幕空间2D坐标,二是为屏幕每个像素点进行着色。渲染管线的一般流程如下图所示。分别是:顶点数据的输入、顶点着色器、曲面细分过程、几何着色器、图元组装、裁剪剔除、光栅化、片段着色器以及混合测试。我们会在后文对管线的各个阶段进行详细的介绍。

渲染管线的一个特点就是每个阶段都会把前一个阶段的输出作为该阶段的输入。例如,片段着色器会将光栅化后的片段(以及片段的数据块)作为输入进行光照计算。除了图元组装和光栅化几个阶段是由硬件自动完成之外,管线的其他阶段管线都是可编程/可配置的。其中顶点着色器、曲面细分相关着色器、几何着色器和片段着色器是可编程的阶段,而混合测试是可高度配置的阶段。管线的可编程/可配置是渲染管理的另一个特点。因为早期的渲染管线采用的是立即渲染模式(Immediate mode,也就是固定渲染管线),不允许开发人员改变GPU渲染的方式,而核心渲染默认(Core-profile mode)允许开发人员定制化GPU的渲染方式。

现代图形学的渲染管线示意图


我们接下来简单介绍管线各个阶段的功能:

顶点数据:顶点数据用来为后面的顶点着色器等阶段提供处理的数据。是渲染管线的数据主要来源。送入到渲染管线的数据包括顶点坐标、纹理坐标、顶点法线和顶点颜色等顶点属性。为了让OpenGL明白顶点数据构成的是什么图元,我们需要在绘制指令中传递相对应的图元信息。常见的图元包括:点(GL_POINTS)、线(GL_LINES)、线条(GL_LINE_STRIP)、三角面(GL_TRIANGLES)。

顶点着色器:顶点着色器主要功能是进行坐标变换。将输入的局部坐标变换到世界坐标、观察坐标和裁剪坐标。虽然我们也会在顶点着色器进行光照计算(称作高洛德着色),然后经过光栅化插值得到各个片段的颜色,但由于这种方法得到的光照比较不自然,所以一般在片段着色器进行光照计算。关于坐标变换以及着色方案的细节,我们会在后面详细介绍。

曲面细分:曲面细分是利用镶嵌化处理技术对三角面进行细分,以此来增加物体表面的三角面的数量,是渲染管线一个可选的阶段。它由外壳着色器(Hull Shader)、镶嵌器(Tessellator)和域着色器(Domain Shader)构成,其中外壳着色器和域着色器是可编程的,而镶嵌器是有硬件管理的。我们可以借助曲面细分的技术实现细节层次(Level-of-Detail)的机制,使得离摄像机越近的物体具有更加丰富的细节,而远离摄像机的物体具有较少的细节。

曲面细分实现三角面的划分


几何着色器:几何着色器也是渲染管线一个可选的阶段。我们知道,顶点着色器的输入是单个顶点(以及属性), 输出的是经过变换后的顶点。与顶点着色器不同,几何着色器的输入是完整的图元(比如,点),输出可以是一个或多个其他的图元(比如,三角面),或者不输出任何的图元。几何着色器的拿手好戏就是将输入的点或线扩展成多边形。下图展示了几何着色器如何将点扩展成多边形。

几何着色器例子


图元组装:图元组装将输入的顶点组装成指定的图元。图元组装阶段会进行裁剪和背面剔除相关的优化,以减少进入光栅化的图元的数量,加速渲染过程。在光栅化之前,还会进行屏幕映射的操作:透视除法和视口变换。

关于透视除法和视口变换到底属于流水线的那个阶段并没有一个权威的说法,某些资料将这两个操作归入到图元组装阶段,某些资料将它归入到光栅化过程,但对我们理解整个渲染管线并没有太大的影响,我们只需要知道在光栅化前需要进行屏幕映射就可以了,所以我们这里将屏幕映射放到了图元组装过程。这两个操作主要是硬件实现,不同厂商会有不同的设计。

光栅化:经过图元组装以及屏幕映射阶段后,我们将物体坐标变换到了窗口坐标。光栅化是个离散化的过程,将3D连续的物体转化为离散屏幕像素点的过程。包括三角形组装和三角形遍历两个阶段。光栅化会确定图元所覆盖的片段,利用顶点属性插值得到片段的属性信息,然后送到片段着色器进行颜色计算,我们这里需要注意到片段是像素的候选者,只有通过后续的测试,片段才会成为最终显示的像素点。

光栅化阶段

片段着色器:片段着色器在DirectX中也成为像素着色器(Pixel Shader)。片段着色器用来决定屏幕上像素的最终颜色。在这个阶段会进行光照计算以及阴影处理,是渲染管线高级效果产生的地方。

测试混合阶段:管线的最后一个阶段是测试混合阶段。测试包括裁切测试、Alpha测试、模板测试和深度测试。没有经过测试的片段会被丢弃,不需要进行混合阶段;经过测试的片段会进入混合阶段。Alpha混合可以根据片段的alpha值进行混合,用来产生半透明的效果。Alpha表示的是物体的不透明度,因此alpha=1表示完全不透明,alpha=0表示完全透明。测试混合阶段虽然不是可编程阶段,但是我们可以通过OpenGL或DirectX提供的接口进行配置,定制混合和测试的方式。

画家算法示意图


值得注意的是,半透明物体的绘制需要遵循画家算法(painter Algorithm)由远及近进行绘制,因为半透明的混合跟物体的顺序有严格的对应关系。从下面两张图我们可以看到,先绘制红色还是先绘制绿色对最终颜色的有这很大的影响。所以,绘制半透明物体之前,我们需要按照距离远近对场景中的物体进行严格排序,然而这是一个非常棘手的问题。比如,我们如何排序下面几个三角形呢?所以当进行半透明物体渲染时,一般会使用顺序无关的半透明渲染技术(Order-independent transparency,OIT)

半透明物体混合跟顺序有严格关系的例子
相互交差的三角面无法进行严格的排序


渲染管线并非严格这样划分,不同的教材会有不同的划分方法。《Real Time Rendering》一书将渲染管线划分为以下四个阶段:应用程序阶段(Application)、几何处理阶段(Geometry Processing)、光栅化(Rasterization)和像素处理阶段(Pixel Processing)。应用阶段通常是在CPU端进行处理,包括碰撞检测、动画物理模拟以及视椎体剔除等任务,这个阶段会将数据送到渲染管线中;几何处理阶段主要执行顶点着色器、投影变换、裁剪和屏幕映射的功能;光栅化阶段和我们上面讨论的差不多,都是将图元离散化片段的过程;像素处理阶段包括像素着色和混合的功能。我们可以发现,虽然管线的划分粒度不一样,但是每个阶段的具体功能其实是差不多的,原理也是一样的,并没有太大的差异。

RTR,4th的图形渲染管线划分方式

到这里只是文章的摘要而已,由于文章比较长,有50多页,没有全部放到知乎上来!推荐大家下载PDF阅读,或者直接在线阅读HTML

编辑于 2019-08-26

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