图形流水线

1.GPU

在了解图形流水线之前，我们先了解一下电脑是如何将图像绘制到屏幕上的。GPU的功能最简单、直接的描述就是：它处理需要显示输出的数据。一旦计算机系统中有GPU，人们在显示器上看到的一切都是它计算的结果。

一块现代GPU的工作流程基本是这样的：
\(①\)获得三维模型，这些模型是用顶点坐标和色彩信息组成的（CPU）
\(②\)对这些顶点的位置进行一系列的变换，然后投影到帧缓存上（GPU）
投影的同时，GPU根据显示器的大小和分辨率对投影结果进行裁剪、光栅化；每个帧缓存里的像素或者像素多边形的色彩经过GPU的一系列变换；最后的结果被GPU输出到显示器上。

这一系列的工作是先后有序、不可颠倒的，前面步骤的输出是后面步骤的输入。我们把这一连串的图形处理任务形象地称为图形流水线（graphics pipeline），或者图形管线。图形流水线的入口是顶点坐标和颜色信息，输出的是一帧适合当前显示器显示的图像。流水线以较高的频率工作（须高于显示器的刷新频率），其间不断有数据从中流过，同时连续的一帧帧图像被输出到显示器上。

2.图形流水线

图形流水线是GPU工作的通用模型。它以某种形式表示的三维场景为输入，输出二维的光栅图像（Raster Images）到显示器，也就是位图。下面依次解释图形流水线中的关键步骤。

1）图形流水线的起点是一个三维模型。可以是我们从三维建模软件中导出的模型，也可以是逆向扫描得到的模型。这些模型都是顶点数据，例如每一个点中都应该带有 RGB 的向量数据。

2）顶点可以用来形成多边形，从而拟合出近似的表面。最常用的是三角化（triangulation），即每相邻的三个点组成一个三角形。接下来每个顶点要经过一系列的逐顶点操作（per-vertex operation）

3）由于显示输出的需要，用户会定义一个视口（view port），即观察模型的位置和角度。然后，模型被投影到与视口观察方向垂直的平面上。这个投影变换（projection transformation）也是硬件加速的。根据视域的大小，投影的结果有可能被裁剪（clipping）掉一部分。

4）接受模型投影的平面是一个帧缓存（frame buffer），它是一个由像素（pixels）定义的光栅化平面。光栅化（rasterization）的过程，实际上就是决定帧缓存上的哪些像素该取怎样的值。通过采样和插值，光栅化器（rasterizer）会决定一幅最接近原投影图像的位图。

5）这些像素或者由像素连成的片段还须经历一些逐片段操作（per-fragment operation），也就是说，它们的颜色也可以根据算法改变。另外，纹理映射（texturing或texture mapping）在这一阶段也会覆盖某些像素的值。另外，对于投影和光栅化的结果，还要判断片段的可见性，也就是遮挡探测（occlusion detection）。

6）最后帧缓存里的结果被刷新到显示器上。该过程以较高的帧频率重复，用户就能在显示器上看到连续的图形变换。

本文截取了GPU图形流水线 中部分内容。