渲染管线

GPU 渲染的完整流程——顶点着色器 → 光栅化 → 片段着色器 → 后处理。

概念

渲染管线 (Rendering Pipeline) 是将 3D 场景数据 (顶点、纹理、光照) 转换为 2D 屏幕像素的完整流程。现代 GPU 的管线是高度并行的——每个顶点和每个像素 (片段) 都由独立的着色器程序处理。理解渲染管线相当于理解”如何高效利用 GPU 的大规模并行能力”。

核心组件

组件	职责	硬件实现
顶点着色器 (Vertex Shader)	将模型空间的顶点变换到裁剪空间	每个顶点并行执行
曲面细分 (Tessellation)	动态细分曲面增加几何细节	可选, 硬件曲面细分单元
几何着色器 (Geometry Shader)	生成/销毁图元 (点、线、三角形)	可选
光栅化 (Rasterizer)	将图元转化为屏幕像素 (片段)	固定功能硬件
片段着色器 (Fragment Shader)	计算每个片段的颜色	每个片段并行执行
深度/模板测试 (Depth/Stencil)	隐藏面消除 (Z-buffer)	固定功能硬件
后处理 (Post-Process)	全屏特效: bloom, HDR tone mapping, SSAO	片段着色器实现

渲染管线全流程

mermaid
graph TD
    VBO["顶点缓冲区 (VBO)<br/>positions, normals, UVs"] --> VS["顶点着色器<br/>MVP 变换: model→world→view→clip"]
    VS --> TESS["曲面细分<br/>动态几何细节"]
    TESS --> GS["几何着色器<br/>图元操作"]
    GS --> CLIP["裁剪 + 透视除法<br/>clip → NDC → window"]
    CLIP --> RAST["光栅化<br/>三角形遍历, 生成片段"]
    RAST --> FS["片段着色器<br/>纹理采样 + 光照计算"]
    FS --> DS["深度/模板测试<br/>Z-buffer 隐藏面消除"]
    DS --> BLEND["混合<br/>半透明, alpha blending"]
    BLEND --> FB["帧缓冲 (Framebuffer)"]
    FB --> POST["后处理<br/>bloom, tone mapping, SSAO"]
    POST --> SWAP["Swapchain<br/>呈现到屏幕"]

    style VS fill:#9cf,stroke:#333
    style FS fill:#fc9,stroke:#333
    style RAST fill:#f99,stroke:#333

GPU 资源生命周期

GPU 资源的典型生命周期:

纹理 (Texture):
    1. 从磁盘加载图像 → 解压缩 → CPU 内存中的像素数组
    2. glCreateTexture / vkCreateImage → 在 GPU 显存中分配
    3. glTexImage2D / vkCmdCopyBufferToImage → 上传到 GPU
    4. 绑定到纹理单元 / descriptor set → 片段着色器采样
    5. 不再使用时释放 (glDeleteTexture / vkDestroyImage)

网格 (Mesh):
    1. 顶点数据 (positions, normals, UVs, tangents) → CPU 内存
    2. 创建 VBO (Vertex Buffer Object) → GPU 显存
    3. 创建 IBO (Index Buffer Object) → 可选索引缓冲
    4. 绑定 VAO (Vertex Array Object) → 描述顶点布局
    5. glDrawElements / vkCmdDrawIndexed → 提交绘制

着色器 (Shader):
    1. GLSL/HLSL 源码 → 编译为 SPIR-V 字节码
    2. 上传到 GPU, 编译为 GPU 特定指令
    3. 绑定到渲染管线的各个阶段

场景图与视锥剔除

场景图 (Scene Graph):
    World
    ├── Room
    │   ├── Table
    │   │   ├── Leg1 (Mesh: "leg.obj", Transform: translate(+1,0,+1))
    │   │   ├── Leg2 (Mesh: "leg.obj", Transform: translate(-1,0,+1))
    │   │   ├── Leg3 (Mesh: "leg.obj", Transform: translate(+1,0,-1))
    │   │   ├── Leg4 (Mesh: "leg.obj", Transform: translate(-1,0,-1))
    │   │   └── Top  (Mesh: "tabletop.obj")
    │   └── Chair (子节点 ...)
    └── Outdoor
        └── Tree (子节点 ...)

视锥剔除 (Frustum Culling):
    对于每个场景节点:
        计算节点的包围盒 (AABB / Bounding Sphere)
        6 个裁剪平面 (左、右、上、下、近、远)
        IF 包围盒在视锥外:
            SKIP → 该节点及其子树都不渲染
        ELIF 包围盒与视锥相交或完全在内部:
            递归检查子节点

    // 加速结构: BVH、八叉树、四叉树优化剔除查询

---