求知若饥，虚心若愚

应用阶段

准备基本场景数据

• 场景物体数据
  • 物体变换数据：位置、旋转、缩放等（在Unity中即Transform组件的数据）
  • 物体网格数据：顶点位置、UV贴图、法线、切线等
• 摄像机数据
  • 位置、方向
  • 远近裁剪平面
  • 正交、透视（FOV）
  • 视口比例、尺寸等
• 光源及阴影数据
  • 光源类型：方向光、点光、聚光、区域光等
  • 位置、方向、角度等其他数据
  • 是否需要阴影：判断该光源可见范围内是否有可投射阴影的物体（物体shader要能投射）
  • 阴影参数：对应光源序号、阴影强度、级联参数、深度偏移（Bias相关，涉及shadowmap精度）、近平面偏移等
  • 逐光源绘制阴影贴图：
    • 近平面偏移
    • 逐级联
      1. 计算当前光源+级联对应的观察矩阵、投影矩阵、以及对应到阴影贴图里的视口区域
      2. 绘制到阴影贴图
• 其他全局数据

加速算法、粗粒度剔除

• 碰撞检测
• 加速算法（加速场景物体的裁剪）
  • 八叉树
  • K-D树
  • BVH
• 遮挡剔除
  • 可见光裁剪，灯光有衰减，以及范围
  • 可见场景物体裁剪，视锥体（平头截体）外、被遮挡的物体
• 其他算法

设置渲染状态、准备渲染参数

• 绘制设置
  • 合批方式：静态合批、动态合批、GPU Instancing
• 绘制顺序（会影响Overdraw）
  • 相对摄像机的距离排序
  • 材质RenderQueue排序
  • UICanvas排序
  • 其他方式等
• 渲染目标
  • FrameBuffer
  • RenderTexture
• 渲染模式
  • 前向渲染
  • 延迟渲染
  • Tile Based？

调用DrawCall、输出渲染图元到显存

• 顶点数据
  • 位置
  • 颜色
  • 法线
  • 纹理uv坐标
  • 其他顶点数据
• 其他数据
  • MVP变换矩阵
  • 纹理贴图
  • 其他数据

几何阶段

顶点着色器Vertex Shading（可编程）

• 视图变换（可以看下引用里的投影矩阵推导）
  • Model - View - Projection - Screen
  • model space -> world space -> camera space -> clip space -> NDC -> screen space
• 顶点着色
  • 一般在这里计算传给下一阶段的数据
  • 也可在这一阶段进行着色，被称为Gouraud shading
    

可选项点处理（可编程）

• 曲面细分（可选）
  • 将较少的面通过特定算法增加更多的顶点从而细分成更多的面
  • GAMES101_Lecture_12有讲解相关的算法
    
• 几何着色器（可选）
  • 在图元外增加额外的Vertex，将原始图元转换成新图元，以构建一个不一样的模型
  • （粒子系统）只用一个Vertex来表示每一个颗粒：只需要在GeometryShader阶段将每个Vertex拓展成两个三角形
    

投影Projection

• 正交
• 透视

裁剪Clipping（可配置）

• CVV（视锥体裁剪）
• 正面或背面剔除（可配置）
  

屏幕映射ScreenMapping（GPU自动完成）

• 从连续到离散
• 坐标系差异（OpenGl、Direct3D）
  

光栅化阶段

三角形设置 Triangle （GPU自动完成）

将对应面的三个顶点组装成三角形，计算图元的边界信息

三角形遍历 Triangle Traversal（GPU自动完成）

• 三角形（图元）包含的片元，利用aabb加速计算，以及线性插值（一般是用重心坐标）对应像素的属性
• 同个像素可能对应多个片元，丢弃和混合颜色后才成为像素
  
• 补充：线代GPU会使用Quads（四个像素一组），为了方便计算mipmap、各向异性等ddx/ddy，所以一个三角形占用的像素可能会更多
  

抗锯齿(anti-aliasing)

• SSAA(Super-Sampling Anti-Aliasing)
  • 渲染到一个分辨率放大N倍的buffer
  • 对放大N倍的buffer进行下采样
• MSAA(Multi-Sampling Anti-Aliasing)
  • 在光栅化阶段
  • 计算多个覆盖样本，可以通过采样点的分配来降低采样频率以及不用像SSAA那样每个采样点计算一遍着色，所以性能比SSAA好
• FXAA(Fast approximate anti-aliasing)/TXAA(Temporal anti-aliasing)
  • 后处理技术，不在这个渲染阶段

逐片元操作

• 像素着色 Fragment Shader（可编程）

  • 这个阶段着色的叫Phong Shading（和Phong光照模型区分开）

• 颜色混合 ColorBlending（可配置）

  深度测试/模版测试/透明度测试先后顺序是什么样的？

  • Alpha Test
  • Depth Buffer Test
  • Stencil Test（配置模板值的写入与对比，根据对比结果来舍弃还是覆盖）
  • Blending
    
    

• 目标缓冲区

  • FrameBuffer
  • RenderTexture

后处理

前面的渲染流程完成后，再对最后输出的缓冲区/渲染贴图进行处理，可以看成是应用于一个矩形面片贴图的图像处理

回顾整体流程

引用

• RTR4 第二章 图形渲染管线 - 0110君的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/208987296
• GPU Rendering Pipeline——GPU渲染流水线简介 - 拓荒犬的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/61949898
• 卡通渲染（上）：致从没看懂过着色器代码的你 - 羡辙的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/25595069
• 实时渲染中的坐标系变换（5）：投影变换-3 - IgorKakarote的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/115395322
• 实时渲染中的坐标系变换（3）：投影变换-1 - IgorKakarote的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/113662566
• GLSL-几何着色器详解跟实例
  • https://www.cnblogs.com/mazhenyu/p/3831986.html
  • https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows-hardware/drivers/display/geometry-shader-stage
• 渲染器 2 —— 三角形的光栅化 - 萧井陌的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/20148016
• 深度测试/模版测试/透明度测试先后顺序是什么样的？ - 林红旭 Leo的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/384124671/answer/1121443495
• 渲染前CPU和渲染中GPU的裁剪和剔除 https://blog.csdn.net/qq_33744693/article/details/88704309
• 投影矩阵推导
  • 图形学投影矩阵推导 https://www.bilibili.com/video/BV1ZY41157TR
  • GAMES101第四讲 https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744
• learnopengl https://learnopengl-cn.github.io/
• 大佬的笔记 https://www.bilibili.com/read/cv13282376
• 大佬的笔记 https://www.yuque.com/xiaohen-ecwjj/vegbg9/mmmfg8