《GPU程式設計與CG語言之陽春白雪下里巴人》 讀書筆記1
阿新 • • 發佈：2019-01-01
Chapter2 GPU圖形繪製管線
圖形管線繪製三個主要階段
應用程式階段
- 高階語言實現
- 主要和CPU,記憶體打交道
- 例如：碰撞檢測，場景圖建立，空間八叉樹更新，視錐裁剪等經典演算法
- 得到幾何體資料（頂點座標，法向量，紋理座標，紋理等），並通過資料匯流排傳遞給圖形硬體（時間瓶頸）
幾何階段
- 頂點變換，光照，裁剪，投影以及螢幕對映
- 得到經過變換和投影之後的頂點座標、顏色、紋理座標
光柵階段
- 為畫素（pixel）正確配色
- 每個畫素的資訊存於顏色緩衝器（color buffer/frame buffer）
注意
涉及深度資訊（Z值）的運算都是在幾何階段進行的
2.1 幾何階段
根據頂點座標變換的先後順序，主要有如下幾個座標空間：
- Object Space 物體座標系/模型座標空間
- World Space 世界座標空間
- Eye Space 觀察座標空間
- Clip and Project Space 螢幕座標空間
2.1.1 從Object Space 到 World Space
Ojbect Space，即物體座標系/模型座標系。光照計算通常發生在世界座標系，而模型檔案中的頂點法向量屬於物體座標系，必須將法向量轉換到世界座標系才可以使用。
2.1.2 從World Space 到 Eye Space
概念
- 視錐體：以視點或攝像機為原點，由視線方向、視角和遠近平面，共同組成的一個梯形三維空間
- 近平面：梯形體較小的矩形面
- 遠平面：梯形體較大的矩形面，投影平面
- 視錐裁剪(Frustum Culling)：在視錐體內的頂點資料是可見的，而超出部分，會被視點去除。
2.1.3 從Eye Space 到 Project and Clip Space
空間轉換的裁剪過程
- 用透視變換吧頂點從視錐體中變換到裁剪空間的CVV中
- 在CVV進行圖元裁剪
- 螢幕對映：將經過前述過程得到的座標對映到螢幕座標系上
概念
- 規範立方體(Canonical View Volume)：裁剪被安排在一個單位立方體中進行，該立方體的對角頂點分別為(-1,-1,-1)和(1,1,1)。CVV的近平面的X,Y座標對應螢幕畫素座標(左下角是0、0)，Z座標則代表畫面畫素深度。
圖元位置及其對應處理方式
只有當圖元完全或部分存在於視錐體內部時，才需要將其光柵化。
1. 當圖元完全位於視錐體內時，直接進入下一階段。
2. 當圖元完全位於視錐體外時，將被剔除。
3. 當圖元部分位於視錐體內時，對於部分位於視錐體內的圖元進行裁剪。
2.2 Primitive Assembly && Triangle Setup
概念
- Primitive Assembly(圖元裝配)：將頂點根據原始的連線關係(primitive)還原出網格結構。
- 網格：網格由頂點和索引組成
- 背面去除：一般頂點按照逆時針排列，有右手定則來確定三角面片的法向量，用於判斷該面為正面還是反面，如果是反面，則要進行去除，較少繪製的頂點數目。
- Triangle Setup：處理三角形的過程。
補充
剪裁演算法有：
1. 視域剔除
2. 背面剔除
3. 遮擋剔除
4. 視口剪裁
2.3 光柵化階段
2.3.1 Rasterization
概念
- 光柵化：決定哪些畫素被集合圖元覆蓋的過程。
2.3.2 Pixel Operation
概念
- Pixel Operation：又稱“Raster Operation”，是在更新幀快取前，執行最後一系列針對每個片段的操作，目的是計算出每個畫素的顏色值。在這個階段，被遮擋面被一個稱為深度測試的過程消除。
Pixel Operation的過程
- 消除遮擋面
- 紋理操作(Texture Operation):根據畫素的紋理座標，查詢對應的紋理值
- 混色(Blending):根據目前已經畫好的顏色，與正在計算的Alpha值混合為兩種顏色，作為新的顏色輸出
- 濾波/濾鏡(Filtering):將正在算的顏色經過某種Filtering後輸出
- 將畫素顏色寫入幀快取
2.4 圖形硬體
首先來看一下GPU的儲存架構：
概念
- Z Buffer:又稱”Depth Buffer”——深度緩衝區，存放的是每個畫素對應頂點空間的的距離衡量，Z值範圍為[0,1]，預設情況下，近裁剪面上Z值為0，遠裁剪面上Z值為1。Z值的比較參考 深度緩衝區演算法(depth-buffer method)。Z值並不是歐幾里得距離，非線性變化。
- 模板緩衝區Stencil Buffer：通常附加在Z Buffer中，例如，15位的Z Buffer加上1位的Stencil Buffer，用來做標記，可用來表示畫素對應空間點處於陰影中。
- 幀緩衝器Frame Buffer：用於存放顯示輸出的資料，一般為畫素顏色值。Frame Buffer有時被認為是顏色緩衝器和深度緩衝的組合。