《GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人》 读书笔记1
Chapter2 GPU图形绘制管线
图形管线绘制三个主要阶段
应用程序阶段
- 高级语言实现
- 主要和CPU,内存打交道
- 例如：碰撞检测，场景图建立，空间八叉树更新，视锥裁剪等经典算法
- 得到几何体数据（顶点坐标，法向量，纹理坐标，纹理等），并通过数据总线传递给图形硬件（时间瓶颈）
几何阶段
- 顶点变换，光照，裁剪，投影以及屏幕映射
- 得到经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色、纹理坐标
光栅阶段
- 为像素（pixel）正确配色
- 每个像素的信息存于颜色缓冲器（color buffer/frame buffer）
注意
涉及深度信息（Z值）的运算都是在几何阶段进行的
2.1 几何阶段
根据顶点坐标变换的先后顺序，主要有如下几个坐标空间：
- Object Space 物体坐标系/模型坐标空间
- World Space 世界坐标空间
- Eye Space 观察坐标空间
- Clip and Project Space 屏幕坐标空间
2.1.1 从Object Space 到 World Space
Ojbect Space，即物体坐标系/模型坐标系。光照计算通常发生在世界坐标系，而模型文件中的顶点法向量属于物体坐标系，必须将法向量转换到世界坐标系才可以使用。
注意：顶点坐标和法向量的转换是不同的，顶点坐标从物体坐标系转换到世界坐标系使用的是 world matrix，而法向量转换到世界坐标系中的转换矩阵是world matrix的转置矩阵，因为法向量变换的问题是由于非等比例缩放引起的，如果原来的World矩阵三个方向缩放系数相等，那么用原来的World矩阵变换法向量是没有问题的。
2.1.2 从World Space 到 Eye Space
概念
- 视锥体：以视点或摄像机为原点，由视线方向、视角和远近平面，共同组成的一个梯形三维空间
- 近平面：梯形体较小的矩形面
- 远平面：梯形体较大的矩形面，投影平面
- 视锥裁剪(Frustum Culling)：在视锥体内的顶点数据是可见的，而超出部分，会被视点去除。
2.1.3 从Eye Space 到 Project and Clip Space
空间转换的裁剪过程
- 用透视变换吧顶点从视锥体中变换到裁剪空间的CVV中
- 在CVV进行图元裁剪
- 屏幕映射：将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上
概念
- 规范立方体(Canonical View Volume)：裁剪被安排在一个单位立方体中进行，该立方体的对角顶点分别为(-1,-1,-1)和(1,1,1)。CVV的近平面的X,Y坐标对应屏幕像素坐标(左下角是0、0)，Z坐标则代表画面像素深度。
图元位置及其对应处理方式
只有当图元完全或部分存在于视锥体内部时，才需要将其光栅化。
1. 当图元完全位于视锥体内时，直接进入下一阶段。
2. 当图元完全位于视锥体外时，将被剔除。
3. 当图元部分位于视锥体内时，对于部分位于视锥体内的图元进行裁剪。
2.2 Primitive Assembly && Triangle Setup
概念
- Primitive Assembly(图元装配)：将顶点根据原始的连接关系(primitive)还原出网格结构。
- 网格：网格由顶点和索引组成
- 背面去除：一般顶点按照逆时针排列，有右手定则来确定三角面片的法向量，用于判断该面为正面还是反面，如果是反面，则要进行去除，较少绘制的顶点数目。
- Triangle Setup：处理三角形的过程。
补充
剪裁算法有：
1. 视域剔除
2. 背面剔除
3. 遮挡剔除
4. 视口剪裁
2.3 光栅化阶段
2.3.1 Rasterization
概念
- 光栅化：决定哪些像素被集合图元覆盖的过程。
2.3.2 Pixel Operation
概念
- Pixel Operation：又称“Raster Operation”，是在更新帧缓存前，执行最后一系列针对每个片段的操作，目的是计算出每个像素的颜色值。在这个阶段，被遮挡面被一个称为深度测试的过程消除。
Pixel Operation的过程
- 消除遮挡面
- 纹理操作(Texture Operation):根据像素的纹理坐标，查询对应的纹理值
- 混色(Blending):根据目前已经画好的颜色，与正在计算的Alpha值混合为两种颜色，作为新的颜色输出
- 滤波/滤镜(Filtering):将正在算的颜色经过某种Filtering后输出
- 将像素颜色写入帧缓存
2.4 图形硬件
首先来看一下GPU的存储架构：
概念
- Z Buffer:又称”Depth Buffer”——深度缓冲区，存放的是每个像素对应顶点空间的的距离衡量，Z值范围为[0,1]，默认情况下，近裁剪面上Z值为0，远裁剪面上Z值为1。Z值的比较参考 深度缓冲区算法(depth-buffer method)。Z值并不是欧几里得距离，非线性变化。
- 模板缓冲区Stencil Buffer：通常附加在Z Buffer中，例如，15位的Z Buffer加上1位的Stencil Buffer，用来做标记，可用来表示像素对应空间点处于阴影中。
- 帧缓冲器Frame Buffer：用于存放显示输出的数据，一般为像素颜色值。Frame Buffer有时被认为是颜色缓冲器和深度缓冲的组合。
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