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[導讀]GPU是每台電腦不可缺少的組件,缺少GPU,我們的筆記本將無法正常顯示圖像。即便我們每天都在運用GPU,但是大家真的瞭解GPU的原理嗎?瞭解GPU渲染流程嗎?

GPU是每台電腦不可缺少的組件,缺少GPU,我們的筆記本將無法正常顯示圖像。即便我們每天都在運用GPU,但是大家真的瞭解GPU的原理嗎?瞭解GPU渲染流程嗎?如果你對GPU以及GPU相關知識具有興趣,不妨繼續往下閲讀哦。

GPU渲染流水線,是硬件真正體現渲染概念的操作過程,也是最終將圖元畫到2D屏幕上的階段。GPU管線涵蓋了渲染流程的幾何階段和光柵化階段,但對開發者而言,只有對頂點和片段着色器有可編程控制權,其他一律不可編程。如下圖:

簡單總結GPU管線,這階段中主要是對圖元進行操作。首先,將由應用階段加載到顯存中的頂點數據(由drawCall指定後)作為輸入傳遞給頂點着色器。接着,頂點着色器首先對圖元的每個頂點設置模型視圖變換及投影變換(即右乘MVP矩陣),然後將變換後的頂點按照攝像機視椎體定義(即透視投影,或正投影)進行裁剪,將不在視野內的頂點去掉並剔除某些三角面片。最後到幾何階段的屏幕映射,負責把修改過的圖元的座標轉換到屏幕座標系中(即投影到屏幕上)。

到光柵化階段,這一階段主要目的是將每個圖元轉換為多個片段,並生成多個片段的位置,由片段着色器負責計算每個片段的顏色值。同時,在這階段片段着色器通常會要求輸入紋理,從而對每個片段進行着色貼圖。每個片段在被髮送到幀緩衝區之前,還會經歷一些操作,這些操作可能會修改片段的顏色值,其中包括深度測試,模板測試,像素所有權測試,與當前緩衝區相同位置顏色混合等等。

最後,幀緩衝區內容被交換到屏幕進行顯示。

下面會對各個階段每個知識點進行詳細的分析理解。

一、頂點着色器

頂點着色器是一段類似C語言的程序(即OpenGL的GLSL,或只支持微軟的HLSL,或Unity的Cg),由程序員提供並在GPU上執行,對每個頂點都執行一次運算。頂點着色器可以使用頂點數據來計算改頂點的座標,顏色,光照和紋理座標等。在渲染管線中,每個頂點都獨立的被執行。原因在於頂點着色器本身不能創建或刪除頂點,也無法得到頂點與頂點之間的關係,如無法知道兩個頂點是否屬於同一個三角網格。正因這獨立性,GPU可以並行化處理每一個頂點,提高處理速度。

頂點着色器最重要的功能是執行頂點的座標變換和逐頂點光照。座標變換是改變頂點的位置,把頂點座標從模型空間轉換到齊次裁剪空間(即將本地座標系轉換為裁剪座標系)。通過改變頂點位置可以實現很多酷炫的shader效果,如模擬水面,布料等等,這裏後面添加實例學習例子再詳細説明。 頂點着色器的另一功能是向後續階段的片段着色器提供一組易變(Varying)變量,用於插值計算。

二、圖元裝配

在頂點着色器程序輸出頂點座標之後,各個頂點按照繪製命令(DrawArrays或DrawElements)中的圖元類型參數和頂點索引數組被組裝成一個個圖元,並對其進行如下圖的圖元操作:

裁剪,處於視椎體以外的圖元將被丟棄,若該圖元與視椎體相交則會發生裁剪產生新圖元,如下圖:

注意一點,透視裁剪是比較影響性能的過程,因為每個圖元都需要和6個裁剪面進行相交計算併產生新圖元。所以一般在x軸,y軸超出屏幕(由glViewPort定義)的部分,這些頂點在視口變換的時候被更高效的直接丟棄,無須產生新圖元。

視椎體在OpenGL中可以通過gluPerspecTIve來定義對應的大小結構,在Cocos2dx引擎中,Director類的setProjecTIon方法就定義了cocos的渲染用到的視椎體,大家可以閲讀對應的代碼瞭解學習下。

經過視椎體裁剪後的頂點座標經過透視分離(指由硬件做透視除法),得到範圍是[0,1]的歸一化的設備座標,最後映射到屏幕或者視口上。

三、片段着色器

【先補充一點,其實在光柵化之前,要判斷圖元的朝向,是面向還是背對觀察者,以決定是否需要丟棄圖元。在OpenGL可通過glFrontFace指令來決定哪個方向為正,並通過glCullFace決定需要保留哪一面(別忘了要先打開剔除狀態設置才可以調用指令 glEnable(GL_CULL_FACE);)。這樣設計的好處是能減少一些不必要的繪製,並減少對GPU的浪費。】

回到正題,片段着色器同上述的頂點着色器,只是它作用的對象是每一片段,對其進行着色貼圖。片元着色器的輸入是根據那些從頂點着色器中輸出的數據插值得到的,其中最重要的渲染技術之一是紋理採樣。在頂點着色器階段輸出每一頂點對應的紋理座標,然後經過光柵化階段對三角網格的3個頂點各自紋理座標進行插值運算後便得到其覆蓋片元的紋理座標,從而在片元着色器中進行紋理採樣。如下圖:

四、逐片元操作

這裏篇幅原因不一一分析每種測試操作,大家可以通過看書瞭解對應的用途。下面舉混合操作來分析一下。下圖是簡化流程圖:

對於不透明的物體,可以直接關閉混合Blend操作,這樣片元着色器計算得到的顏色值直接覆蓋更新緩衝區的顏色值。但對於半透明物體就必須開啓使用混合操作從而讓物體看起來是透明的。開發過程中無法得到透明效果的原因,往往有可能是沒有開啓混合功能的原因。

由於計算機圖形的性質,圖形管線已構造為計算狀態與數據流動作為它們之間的數據流。每個階段工作在一組元素,如頂點,三角形或像素。下圖1[ Shr99 ]給出了典型的OpenGL固定管道。

人們很容易看到這種體系結構如何類似於中描述的流計算模型上一節。這種類型的固定結構的是,直到最近,計算機圖形卡製造商的標準可循。雖然類似流計算模式,它提供了很少或沒有編程的用户,因此,它是不可用於比處理圖形指令的其他任何任務。2000年[ Owe05 ],GPU 小號允許管道的關鍵部位的可編程性一定程度。

當前GPU 小號允許用户在形式的圖形流水線的兩個階段幾乎任何類型的功能進行編程頂點程序和片段的方案。這些允許用户分別寫在頂點和片段數據的程序。下圖示出了更近的映射的OpenGL可編程管線到流模型。

該頂點處理器

頂點處理器輸入的頂點值和其相關的數據進行操作。它的目的是執行傳統的圖形操作,如:頂點變換,正常轉化和規範化,紋理座標生成和改造,照明和顏色計算[ Ros04。因為頂點處理器是能夠改變輸入的頂點數據的位置,從而影響最終圖像的要繪製。由於圖像是,在本質上,的存儲器陣列,頂點處理器能夠分散狀操作。另外,最近的處理器能夠從紋理存儲器讀出,從而產生一種特殊的延遲收集動作。我們稱之為延遲,因為頂點不能直接從其他頂點元件讀取的信息,但它可以讀取的任何數據從先前的計算結果,如果它是在紋理存儲器編碼。在後面的章節中,我們將看到如何利用這一點來執行簡單的計算。

頂點處理器可以在SIMD(單指令多數據)或MIMD(多指令多數據)模式下運行; 因此,允許兩個,一個處理器單元中的指令和任務並行。由於現代GPU 小號包含多個頂點處理器(最新的NVIDIA 和ATI卡有多達六個),我們可以開始欣賞並行這些體系結構上實現的水平。

該碎片處理器

該片段處理器上的片段和它們相關聯的數據進行操作。一些傳統上與片段着色器相關聯的操作是:質地接入和應用,霧,顏色和與上內插值一般操作。如同頂點着色器,片段着色器可用於在GPU上執行幾乎任何種類的計算。因為片段處理器可以訪問紋理存儲器的隨機這是很容易的片段程序內執行聚集操作。實際上,這是很常見的使用紋理信息進行依賴於其他紋理查找窗口; 功能移植算法的流計算模型時來真的很方便。

雖然在目前的GPU架構碎片處理器可以在SIMD模式下運行,是非常嚴格的那種,他們允許我們將看到,他們還是很容易執行一般的計算操作。加,由於片段的處理片段的處理器數量的計算頻率比頂點處理器的數目越高。當前頂級的線卡有十六歲左右的片段處理器。

以上便是此次小編帶來的“GPU”相關內容,通過本文,希望大家對GPU原理以及渲染原理具備一定的瞭解。如果你喜歡本文,不妨持續關注我們網站哦,小編將於後期帶來更多精彩內容。最後,十分感謝大家的閲讀,have a nice day!

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