在我對(duì)《UnityShader入門(mén)精要》——馮樂(lè)樂(lè) 第六章 進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程中，對(duì)于第一個(gè)示例中有個(gè)疑問(wèn)：基于頂點(diǎn)的著色（Gouraud shading）處理時(shí)，并沒(méi)有看見(jiàn)重心插值得到片元顏色這部分邏輯的代碼呀。所以我又回頭讀了第二章，其實(shí)帶著問(wèn)題去讀，要比拿到書(shū)就從第一頁(yè)開(kāi)始讀效果更好。讀完之后覺(jué)得第二章涉及的知識(shí)點(diǎn)，比閆令琪Game101課程中講的要詳細(xì)很多，本文對(duì)部分內(nèi)容做筆記，詳情參見(jiàn)原書(shū)。

一、概述

渲染流水線(xiàn)的工作任務(wù)在于由一個(gè)三維場(chǎng)景出發(fā)、生成（或者說(shuō)渲染）一張二維圖像。換句話(huà)說(shuō)，計(jì)算機(jī)需要從一系列的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、紋理等信息出發(fā)，把這些信息最終轉(zhuǎn)換成一張人眼可以看到的圖像。而這個(gè)工作通常是由CPU和GPU共同完成的。

《Real-Time Rendering， Third Edition》一書(shū)中將一個(gè)渲染流程分為了3個(gè)階段：應(yīng)用階段、幾何階段、光柵化階段。

注意，這里僅僅是概念性階段，每個(gè)階段本身通常也是一個(gè)流水線(xiàn)系統(tǒng)，既包含了自流水線(xiàn)階段。下圖顯示了三個(gè)概念階段之間的關(guān)系。

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二、應(yīng)用階段

渲染流水線(xiàn)的起點(diǎn)是CPU，即應(yīng)用階段，應(yīng)用階段大致可分為下面三個(gè)階段：

• （1）把數(shù)據(jù)加載到顯存中
• （2）設(shè)置渲染狀態(tài)
• （3）調(diào)用Draw Call

1.把數(shù)據(jù)加載到顯存中

所有渲染所需的數(shù)據(jù)都需要從硬盤(pán)（HDD）中加載到系統(tǒng)內(nèi)存（RAM）中。然后網(wǎng)格和紋理等數(shù)據(jù)又會(huì)被加載到顯卡上的存儲(chǔ)空間——顯存（VRAM）中。這是因?yàn)轱@卡對(duì)顯存的訪(fǎng)問(wèn)速度更快，而且大多數(shù)顯卡對(duì)于RAM沒(méi)有直接的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)利。

2.設(shè)置渲染狀態(tài)

什么是渲染狀態(tài)？一個(gè)通俗的解釋是，這些狀態(tài)定義了場(chǎng)景中的網(wǎng)格是怎樣被渲染的。例如，使用哪個(gè)頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）/片元著色器（Fragment Shader）、光源屬性、材質(zhì)等。如果我們沒(méi)有更改渲染狀態(tài)，那么所有網(wǎng)格都將使用同一種渲染狀態(tài)。

在準(zhǔn)備好上述工作后，CPU就需要調(diào)用一個(gè)渲染命令來(lái)告訴GPU：嘿，老兄我?guī)湍惆褦?shù)據(jù)準(zhǔn)備好啦，你可以按照我的設(shè)置開(kāi)始渲染啦“！”而這個(gè)渲染命令就是Draw Call。

3.調(diào)用Draw Call

Draw Call就是一個(gè)命令，它的發(fā)起方是CPU，接收方是GPU。這個(gè)命令僅僅會(huì)指向一個(gè)需要被渲染的圖元（primitives）列表，而不會(huì)再包含任何材質(zhì)信息——上一階段我們已經(jīng)完成。

當(dāng)給定了一個(gè)Draw Call時(shí)，GPU就會(huì)根據(jù)渲染狀態(tài)（例如材質(zhì)、紋理。著色器等）和所有輸入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終輸出成屏幕上顯示的那些漂亮的像素。而這個(gè)計(jì)算過(guò)程就是GPU流水線(xiàn)。

三、GPU流水線(xiàn)

對(duì)于概念的后兩個(gè)階段，即幾何階段和光柵化階段，開(kāi)發(fā)者無(wú)法擁有絕對(duì)的控制權(quán)，其實(shí)現(xiàn)的載體是GPU。GPU通過(guò)實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)化，大大加快了渲染速度。雖然我們無(wú)法完全控制這兩個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，但GPU向開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)了很多控制權(quán)。

圖2.6 GPU的渲染流水線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。顏色表示了不同階段的可配置性或可編程性：綠色表示該流水 線(xiàn)階段是完全可編程控制的，黃色表示該流水線(xiàn)階段可以配置但不是可編程的，藍(lán)色表示該流 水線(xiàn)階段是由GPU固定實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)發(fā)者沒(méi)有任何控制權(quán)。實(shí)線(xiàn)表示該shader必須由開(kāi)發(fā)者編 程實(shí)現(xiàn)，虛線(xiàn)表示該Shader是可選的

從圖中可以看出，GPU渲染流水線(xiàn)接收頂點(diǎn)數(shù)據(jù)作為輸入。這些頂點(diǎn)數(shù)據(jù)是由應(yīng)用階段加載到顯存中，再由Draw Call指定的。這些數(shù)據(jù)隨后被傳遞給頂點(diǎn)著色器。

• 頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）是完全可編程的，它通常用于實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)的空間變換、頂點(diǎn)著色等功能。
• 曲面細(xì)分著色器（Tessellation Shader）是一個(gè)可選著色器，它用于細(xì)分圖元。
• 幾何著色器（Geometry Shader）同樣是一個(gè)可選的著色器，它可以被用于逐圖元（Per-primitive）的著色操作，或者被用于產(chǎn)生更多的圖元。
• 下一個(gè)流水線(xiàn)階段是裁剪（Clipping），這一階段的目的是將那些不在攝像機(jī)視野內(nèi)的頂點(diǎn)裁減掉，并剔除某些三角圖元的面片。這個(gè)階段是可配置的。例如，我們可以使用自定義的裁剪平面來(lái)配置裁剪區(qū)域，也可以通過(guò)指令控制裁剪三角圖元的正面還是背面。
• 幾何概念階段的最后一個(gè)流水線(xiàn)階段是屏幕映射（Screen Mapping）。這一階段是不可配置和編程的，它負(fù)責(zé)把每個(gè)圖元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系中。
• 光柵化概念階段中的三角形設(shè)置（Triangle Setup）和三角形遍歷（Triangle Traversal）階段也都是固定函數(shù)（Fixed-Function）的階段。
• 接下來(lái)的片元著色器（Fragment Shader），則是完全可編程的，它用于實(shí)現(xiàn)逐片元（Per-Fragment）的著色操作。
• 最后逐片元操作（Per-Fragment Operations）階段負(fù)責(zé)執(zhí)行很多重要的操作，例如修改顏色、深度緩沖、進(jìn)行混合等，它不是可編程的，但具有很高的可配置性。

1.頂點(diǎn)著色器

頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）是流水線(xiàn)的第一階段，它的輸入來(lái)自于CPU。頂點(diǎn)著色器的處理單位是頂點(diǎn)，也就是說(shuō)輸入進(jìn)來(lái)的每個(gè)頂點(diǎn)都會(huì)調(diào)用一次頂點(diǎn)著色器。頂點(diǎn)著色器本身不可以創(chuàng)建或銷(xiāo)毀任何頂點(diǎn)，而且無(wú)法得到頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的關(guān)系。例如我們無(wú)法得知兩個(gè)頂點(diǎn)是否屬于同一個(gè)三角網(wǎng)格。但正是因?yàn)檫@樣的相互獨(dú)立性，GPU可以利用本身的特性并行化處理每個(gè)頂點(diǎn)，這意味著這一階段處理速度會(huì)很快。
頂點(diǎn)著色器需要完成的主要工作有：坐標(biāo)變換和逐頂點(diǎn)光照。當(dāng)然，除了這兩個(gè)主要任務(wù)外，頂點(diǎn)著色器還可以輸出后續(xù)階段所需的數(shù)據(jù)。下圖展示了在頂點(diǎn)著色器中對(duì)頂點(diǎn)位置進(jìn)行坐標(biāo)變換并計(jì)算頂點(diǎn)顏色的過(guò)程。

圖2.7 GPU在每個(gè)輸入的網(wǎng)格頂點(diǎn)上都會(huì)調(diào)用頂點(diǎn)著色器。頂點(diǎn)著色器必須進(jìn)行頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換，需要時(shí)還可以計(jì)算和輸出頂點(diǎn)的顏色。例如，我們可能需要進(jìn)行逐頂點(diǎn)的光照

插入一下：這里就提到了，需要時(shí)還可以計(jì)算和輸出頂點(diǎn)的顏色。也就是基于頂點(diǎn)的著色（Gouraud shading）。

2.頂點(diǎn)著色器中的坐標(biāo)變換

上圖中還說(shuō)了，這一步必須進(jìn)行頂點(diǎn)坐標(biāo)變換。也就是第五章示例代碼中將mul (UNITY_MVP, v.position)升級(jí)過(guò)后的o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);當(dāng)然第二章也專(zhuān)門(mén)花了篇幅說(shuō)明這一點(diǎn)。

頂點(diǎn)著色器可以在這一步中改變頂點(diǎn)的位置，這在頂點(diǎn)動(dòng)畫(huà)中是非常有用的。例如，我們可以改變頂點(diǎn)的位置來(lái)模擬水面、布料等。但需要注意的是，無(wú)論我們?cè)陧旤c(diǎn)著色器中怎樣改變頂點(diǎn)的位置，一個(gè)最基本的頂點(diǎn)著色器必須完成的一個(gè)工作是，把頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間，就是類(lèi)似下面的代碼，o.pos = mul (UNITY_MVP, v.position);

類(lèi)似上面這句代碼的功能，就是把頂點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到齊次裁剪坐標(biāo)系下，接著通常再由硬件做透視除法后，最終得到歸一化的設(shè)備坐標(biāo)（Normalized Device Coordinates， NDC）

圖2.8 頂點(diǎn)著色器會(huì)將模型頂點(diǎn)的位置變換到齊次裁剪坐標(biāo)空間下，進(jìn)行輸出后再由硬件做透視除法得到NDC下的坐標(biāo)

需要注意的是，圖給出的坐標(biāo)范圍是OpenGL同時(shí)也是Unity使用的NDC，它的Z分量范圍在[-1, 1]之間，而在DirectX中，NDC的z分量范圍是[0,1]。頂點(diǎn)著色器可以有不同的輸出方式。最常見(jiàn)的輸出路徑是經(jīng)光柵化后交給片元著色器進(jìn)行處理。而在現(xiàn)代的Shader Model中，它還可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給曲面細(xì)分著色器或幾何著色器，感興趣的話(huà)可以自行了解。

3.裁剪

由于我們的場(chǎng)景會(huì)很大，而攝像機(jī)的視野范圍很有可能不會(huì)覆蓋所有的場(chǎng)景物體，一個(gè)很自然的想法是，那些不在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)的物體不需要處理。而裁剪（Clipping）就是為了完成這個(gè)目的被提出來(lái)的。

一個(gè)圖元和攝像機(jī)的視野關(guān)系有3種：完全在視野內(nèi)、部分在視野內(nèi)、完全在視野外。完全在視野內(nèi)的圖元就繼續(xù)傳遞給下一個(gè)流水線(xiàn)階段，完全在視野外的圖元不會(huì)向下傳遞，因?yàn)樗鼈儾恍枰讳秩?。而那些部分在視野?nèi)的圖元需要進(jìn)行一個(gè)處理，這就是裁剪。例如，一條線(xiàn)段的一個(gè)頂點(diǎn)在視野內(nèi)，而另一個(gè)頂點(diǎn)不在視野內(nèi)，那么視野外部的頂點(diǎn)應(yīng)該使用一個(gè)新的頂點(diǎn)來(lái)代替，這個(gè)新的頂點(diǎn)位于這條線(xiàn)段和視野邊界的交點(diǎn)處。

由于我們已知在NDC下的頂點(diǎn)位置，即頂點(diǎn)位置在一個(gè)立方體內(nèi)，因此裁剪就變得很簡(jiǎn)單：只需要將圖元裁減到單位立方體內(nèi)。下圖展示了這樣的一個(gè)過(guò)程。

圖2.9 只有在單位立方體的圖元才需要被繼續(xù)處理。因此，完全在單位立方體外部的圖元（紅色三角形）被舍棄，完全在單位立方體內(nèi)部的圖元（綠色三角形）將被保留。和單位立方體相交的圖元（黃色三角形）會(huì)被裁剪，新的頂點(diǎn)會(huì)被生成，原來(lái)在外部的頂點(diǎn)會(huì)被舍棄

和頂點(diǎn)著色器不同，這一步是不可編程的，即我們無(wú)法通過(guò)編程來(lái)控制裁剪的過(guò)程，而是硬件上的固定操作，但我們可以自定義一個(gè)裁剪操作來(lái)對(duì)這一步進(jìn)行配置。

4.屏幕映射

這一步輸入的坐標(biāo)仍然是三維坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（范圍在單位立方體內(nèi)）。屏幕映射（Screen Mapping）的任務(wù)是把每個(gè)圖元的x和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系（Screen Coordinates）下。屏幕坐標(biāo)系是一個(gè)二維坐標(biāo)系，它和我們用于顯示畫(huà)面的分辨率有很大關(guān)系。

也許大家會(huì)有疑惑，輸入的Z坐標(biāo)會(huì)怎么樣。屏幕映射不會(huì)對(duì)輸入的Z坐標(biāo)進(jìn)行任何處理。實(shí)際上屏幕坐標(biāo)和Z坐標(biāo)一起構(gòu)成了一個(gè)坐標(biāo)系，叫做窗口坐標(biāo)系（Window Coordinates）。這些值會(huì)一起被傳遞到光柵化階段。屏幕映射得到的屏幕坐標(biāo)決定了這個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)屏幕上哪個(gè)像素以及距離這個(gè)像素有多遠(yuǎn)。

5.三角形設(shè)置

由這一步開(kāi)始進(jìn)入了光柵化階段。從上一個(gè)階段輸出的信息是屏幕坐標(biāo)系下的頂點(diǎn)位置以及和它們相關(guān)的額外信息，如深度值（z坐標(biāo)）、法線(xiàn)方向、視角方向等。光柵化階段有兩個(gè)重要的目標(biāo)：計(jì)算每個(gè)圖元覆蓋了哪些像素，以及為這些像素計(jì)算它們的顏色。

光柵化的第一個(gè)流水線(xiàn)階段是三角形設(shè)置（Triangle Setup）。這個(gè)階段會(huì)計(jì)算光柵化一個(gè)三角網(wǎng)格所需的信息。具體來(lái)說(shuō)，上一個(gè)階段輸出的都是三角網(wǎng)格的頂點(diǎn)，即我們得到的是三角網(wǎng)格每條邊的兩個(gè)端點(diǎn)。但如果要得到整個(gè)三角網(wǎng)格對(duì)像素的覆蓋情況，我們必須計(jì)算每條邊上的像素坐標(biāo)。為了能計(jì)算邊界像素的坐標(biāo)信息，我們需要得到三角形邊界的表示方式。這樣一個(gè)計(jì)算三角網(wǎng)絡(luò)表示數(shù)據(jù)的過(guò)程就叫做三角形設(shè)置。它的輸出是為了給下一個(gè)階段做準(zhǔn)備。

6.三角形遍歷

三角形遍歷（Triangle Traversal）階段將會(huì)檢查每個(gè)像素是否被一個(gè)三角網(wǎng)格所覆蓋。如果被覆蓋的話(huà)，就會(huì)生成一個(gè)片元（fragment）。而這樣一個(gè)找到哪些像素被三角網(wǎng)格覆蓋的過(guò)程就是三角形遍歷，這個(gè)階段也被稱(chēng)為掃描變換（Scan Conversion）。

三角形遍歷會(huì)根據(jù)上一個(gè)階段的計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷一個(gè)三角網(wǎng)格覆蓋了哪些像素，并使用三角網(wǎng)格3個(gè)頂點(diǎn)的頂點(diǎn)信息對(duì)整個(gè)覆蓋區(qū)域的像素進(jìn)行插值，下圖展示了三角形遍歷階段的簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

圖2.12 三角形遍歷的過(guò)程。根據(jù)幾何階段輸出的頂點(diǎn)信息，最終得到該三角網(wǎng)格覆蓋的像素位置。對(duì)應(yīng)像素會(huì)生成一個(gè)片元，而片元中的狀態(tài)是對(duì)三個(gè)頂點(diǎn)的信息進(jìn)行插值得到的。例如，對(duì)圖2.12中三個(gè)頂點(diǎn)的深度進(jìn)行插值得到其重心位置對(duì)應(yīng)的片元的深度值為-10.0

這一步的傳出就是得到一個(gè)片元序列。需要注意的是，一個(gè)片元并不是真正意義上的像素，而是包含了很多狀態(tài)的集合，這些狀態(tài)用于計(jì)算每個(gè)像素的最終顏色。這些狀態(tài)包括了（但不限于）它的屏幕坐標(biāo)、深度信息，以及其他從幾何階段輸出的頂點(diǎn)信息，例如法線(xiàn)、紋理坐標(biāo)等。

7.片元著色器

片元著色器（Fragment Shader）是另一個(gè)非常重要的可編程著色器階段。在DirectX中，片元著色器被稱(chēng)為像素著色器（Pixel Shader），但片元著色器是一個(gè)更合適的名字，因?yàn)?strong>此時(shí)的片元并不是一個(gè)真正意義上的像素。

前面的光柵化階段實(shí)際上并不會(huì)影響屏幕上每個(gè)像素的顏色值，而是會(huì)產(chǎn)生一系列的數(shù)據(jù)信息，用來(lái)表述一個(gè)三角網(wǎng)格是怎樣覆蓋每個(gè)像素的。而每個(gè)片元就負(fù)責(zé)存儲(chǔ)這樣一系列數(shù)據(jù)。真正會(huì)對(duì)像素產(chǎn)生影響的階段是下一個(gè)流水線(xiàn)階段——逐片元操作（Per-Fragment Operations）。

片元著色器的輸入是上一個(gè)階段對(duì)頂點(diǎn)信息插值得到的結(jié)果，更具體來(lái)說(shuō)，是根據(jù)那些從頂點(diǎn)著色器中輸出的數(shù)據(jù)插值得到的。而它的輸出是一個(gè)或者多個(gè)顏色值。下圖展示了這樣的一個(gè)過(guò)程。

圖2.13 根據(jù)上一步插值后的片元信息，片元著色器計(jì)算該片元的輸出顏色

這一階段可以完成很多重要的渲染技術(shù)，其中重要的技術(shù)之一就是紋理采樣。為了在片元著色器中進(jìn)行紋理采樣，我們通常會(huì)在頂點(diǎn)著色器階段輸出每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，然后經(jīng)過(guò)光柵化階段對(duì)三角網(wǎng)格的3個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)進(jìn)行插值后，就可以得到其覆蓋的片元的紋理坐標(biāo)了。

雖然片元著色器可以完成很多重要效果，但它的局限在于，它僅可以影響單個(gè)片元。也就是說(shuō)，當(dāng)執(zhí)行片元著色器時(shí)，它不可以將自己執(zhí)行的任何結(jié)果直接發(fā)送給它的鄰居們。有一個(gè)情況例外，就是片元著色器可以訪(fǎng)問(wèn)到導(dǎo)數(shù)信息（gradient，或derivative）。

8.逐片元操作

終于到了渲染管線(xiàn)的最后一步。逐片元操作（Per-Fragment Operations）是OpenGL中的說(shuō)法，在DirectX中，這一說(shuō)法被稱(chēng)為輸出合并階段（Output-Merger）。

這一階段有幾個(gè)主要任務(wù)

• 決定每個(gè)片元的可見(jiàn)性。這涉及了很多測(cè)試工作，例如深度測(cè)試、模板測(cè)試等。
• 如果一個(gè)片元通過(guò)了所有的測(cè)試，就需要把這個(gè)片元的顏色值和已經(jīng)存儲(chǔ)在顏色緩沖區(qū)中的顏色進(jìn)行合并，或者說(shuō)是混合。

需要指明的是，逐片元操作階段是高度可配置性的，即我們可以設(shè)置每一步的操作細(xì)節(jié)。我們后面會(huì)慢慢講到。

這個(gè)階段首先需要解決每個(gè)片元的可見(jiàn)性問(wèn)題，這需要進(jìn)行一系列測(cè)試。一個(gè)片元只有經(jīng)過(guò)了所有的測(cè)試，才能獲得最終個(gè)GPU談判的資格，這個(gè)資格是說(shuō)它可以和顏色緩沖區(qū)進(jìn)行合并。如果他沒(méi)有通過(guò)其中的任何一個(gè)測(cè)試，那么對(duì)不起，之前為了產(chǎn)生這個(gè)片元所做的所有工作都是白費(fèi)的，因?yàn)檫@個(gè)片元會(huì)被舍棄掉。下圖給出了簡(jiǎn)化后的逐片元操作所做的工作。

圖2.15 模板測(cè)試和深度測(cè)試的簡(jiǎn)化流程圖。

9.模板測(cè)試（Stencil Test）

我們先來(lái)看模板測(cè)試（Stencil Test）。與之相關(guān)的是模板緩沖（Stencil Buffer）。實(shí)際上。模板緩沖和我們經(jīng)常聽(tīng)到的顏色緩沖、深度緩沖幾乎是一類(lèi)的東西。如果開(kāi)啟了模板測(cè)試，GPU會(huì)首先讀取（使用讀取掩碼）模板緩沖區(qū)中該片元位置的模板值，然后將該值和讀?。ㄊ褂米x取掩碼）到的參考值（reference value）進(jìn)行比較，這個(gè)比較函數(shù)可以是由開(kāi)發(fā)者指定的，例如小于時(shí)舍棄該片元，或者大于等于時(shí)舍棄該片元。如果該片元沒(méi)有通過(guò)這個(gè)測(cè)試，該片元就會(huì)被舍棄。不管一個(gè)片元有沒(méi)有通過(guò)模板測(cè)試·，我們都可以通過(guò)模板測(cè)試和下面的深度測(cè)試結(jié)果來(lái)修改模板緩沖區(qū)，這個(gè)修改操作也是由開(kāi)發(fā)者指定的。開(kāi)發(fā)者可以設(shè)置不同結(jié)果下的修改操作，例如在失敗時(shí)，模板緩沖區(qū)保持不變，通過(guò)時(shí)將模板緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)的位置加1等。模板緩沖區(qū)通常用于限制渲染的區(qū)域。另外，模板測(cè)試還有一些更高級(jí)的用法，如渲染陰影、輪廓渲染等。

10.深度測(cè)試（Depth Test）

如果一個(gè)片元幸運(yùn)的通過(guò)了模板測(cè)試，那么它會(huì)進(jìn)行下一個(gè)測(cè)試——深度測(cè)試（Depth Test）。這個(gè)測(cè)試同樣也是可以高度配置的。如果開(kāi)啟了深度測(cè)試，GPU會(huì)把該片元的深度值和已經(jīng)存在于深度緩沖區(qū)中的深度值進(jìn)行比較。這個(gè)比較函數(shù)也是可以由開(kāi)發(fā)者設(shè)置的，例如小于時(shí)舍棄該片元，或者大于等于時(shí)舍棄該片元。通常這個(gè)比較函數(shù)是小于等于的關(guān)系，即如果這個(gè)片元的深度值大于等于當(dāng)前深度緩沖區(qū)中的值，那么就會(huì)舍棄他，因?yàn)?，我們總想只顯示出離攝像機(jī)最近的物體，那些被其他物體遮擋的物體就不需要出現(xiàn)在屏幕上。如果這個(gè)片元沒(méi)有通過(guò)這個(gè)測(cè)試，該片元就會(huì)被舍棄。和模板測(cè)試有些不同的是，如果一個(gè)片元沒(méi)有通過(guò)深度測(cè)試，它就沒(méi)有權(quán)利更改深度緩沖區(qū)中的值。而如果它通過(guò)了測(cè)試，開(kāi)發(fā)者還可以指定是否要用這個(gè)片元的深度值覆蓋掉原有的深度值，這是通過(guò)開(kāi)啟/關(guān)閉深度寫(xiě)入來(lái)做到的。后面我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，透明效果和深度測(cè)試以及深度寫(xiě)入的關(guān)系非常密切。

擴(kuò)展閱讀：
WEBGL Learning(四) 遮罩之模板測(cè)試
3.1 模板測(cè)試和深度測(cè)試
什么是模板測(cè)試，可以把他看作月餅?zāi)＞?。模具壓下去，模具以?xún)?nèi)的留了下來(lái)，其他部分被舍棄。

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再看下專(zhuān)業(yè)一點(diǎn)的簡(jiǎn)單解釋?zhuān)篠tencil test是per-fragment operations的一種，這就意味著它處于fragment shader (片段著色器)之后，stencil test的主要作用就是根據(jù)stencil buffer的內(nèi)容，來(lái)丟棄不需要的fragments。

11.合并

如果一個(gè)幸運(yùn)的片元通過(guò)了上面的所有測(cè)試，那么它可以自豪地來(lái)到合并功能面前。
為什么需要合并？我們要知道，這里所討論的渲染的過(guò)程是一個(gè)物體接著一個(gè)物體畫(huà)到屏幕上的。而每個(gè)像素的顏色信息都被存儲(chǔ)在一個(gè)名為顏色緩沖的地方。因此當(dāng)我們執(zhí)行這次渲染時(shí)，顏色緩沖往往已經(jīng)有了上次渲染之后的顏色結(jié)果，那么我們是使用這次渲染得到的顏色完全覆蓋掉之前的結(jié)果，還是進(jìn)行其它處理？這就是合并需要解決的問(wèn)題。
對(duì)于不透明物體，開(kāi)發(fā)者可以關(guān)閉混合（Blend）操作。這樣片元著色器計(jì)算得到的顏色值就會(huì)直接覆蓋掉顏色緩沖區(qū)中的像素值。但對(duì)于半透明物體，我們就需要使用混合操作來(lái)讓這個(gè)物體看起來(lái)是透明的。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)化版的混合操作流程圖

圖2.16 混合操作的簡(jiǎn)化流程圖

從流程圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，混合操作也是可以高度配置的：開(kāi)發(fā)者可以選擇開(kāi)啟/關(guān)閉混合功能。

如果沒(méi)有開(kāi)啟混合功能，就會(huì)直接使用片元的顏色覆蓋掉顏色緩沖區(qū)中的顏色，這也是很多初學(xué)者無(wú)法得到透明效果的原因（沒(méi)有開(kāi)啟混合功能）。

如果開(kāi)啟了混合，GPU就會(huì)取出源顏色和目標(biāo)顏色，將兩種顏色進(jìn)行混合。源顏色指的是片元著色器得到的顏色值，而目標(biāo)顏色則是已經(jīng)存在于顏色緩沖區(qū)中的顏色值。之后就會(huì)用一個(gè)混合函數(shù)來(lái)進(jìn)行混合操作。這個(gè)混合函數(shù)通常和透明通道息息相關(guān)，例如根據(jù)透明通道的值進(jìn)行相加、相減、相乘等?；旌虾芟馪hotoshop中對(duì)圖層的操作：每一圖層可以選擇混合模式，混合模式?jīng)Q定了該圖層和下層圖層的混合結(jié)果，而我們看到的圖片就是混合后的圖片。

上面給出的測(cè)試順序并不是唯一的，雖然從邏輯上來(lái)說(shuō)這些測(cè)試是在片元著色器之后進(jìn)行的，但對(duì)于大多數(shù)GPU來(lái)說(shuō)，它們會(huì)盡可能在執(zhí)行片元著色器之前就進(jìn)行這些測(cè)試。想象一下，當(dāng)GPU在片元著色器階段花了很大的力氣終于計(jì)算出片元的顏色，卻發(fā)現(xiàn)這個(gè)片元根本沒(méi)有通過(guò)這些檢驗(yàn)，也就是說(shuō)這個(gè)片元還是被舍棄了，那么之前花費(fèi)的計(jì)算成本全都浪費(fèi)了，如下圖所示：

圖2.17 圖示場(chǎng)景中包含了兩個(gè)對(duì)象：球和長(zhǎng)方體，繪制順序是先繪制球（在屏幕上顯示為圓），再繪制長(zhǎng)方體（在屏幕上顯示為長(zhǎng)方形）。如果深度測(cè)試在片元著色器之后執(zhí)行，那么在渲染長(zhǎng)方體時(shí)，雖然它的大部分區(qū)域都被遮擋在球的后面，即它所覆蓋的絕大部分片元根本無(wú)法通過(guò)深度測(cè)試，但是我們?nèi)匀恍枰獙?duì)這些片元執(zhí)行片元著色器，造成了很大的性能浪費(fèi)

當(dāng)模型的圖元經(jīng)過(guò)了上面層層計(jì)算和測(cè)試后，就會(huì)顯示到我們屏幕上。我們的屏幕顯示的就是顏色緩沖區(qū)的顏色值。但是為了避免我們看到那些正在進(jìn)行光柵化的圖元，GPU會(huì)使用雙重緩沖策略（Double Buffering）。這意味著，對(duì)場(chǎng)景的渲染是在幕后發(fā)生的，即在后置緩沖（Back Buffer）中。一旦場(chǎng)景已經(jīng)被渲染到了后置緩沖中，GPU就會(huì)交換后置緩沖區(qū)和前置緩沖（Front Buffer）中的內(nèi)容，而前置緩沖區(qū)是之前顯示在屏幕中的圖像。由此，保證了我們看到的圖像是連續(xù)的。

四、什么是OpenGL/DirectX

只要接觸過(guò)圖像編程就一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)OpenGL和DirectX，也知道這兩者之間存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

這兩者實(shí)際上就是圖像應(yīng)用編程接口，這些接口用于渲染二維或三維圖形?？梢哉f(shuō)，這些接口架起了上層應(yīng)用程序和底層GPU的溝通橋梁。一個(gè)應(yīng)用向這些接口發(fā)送渲染命令，而這些接口會(huì)依次向顯卡驅(qū)動(dòng)發(fā)送渲染命令，這些顯卡驅(qū)動(dòng)是真正知道如何與GPU通信的，正是它們把OpenGL或者是DirectX的函數(shù)調(diào)用翻譯成了GPU能夠識(shí)別的指令。

另外，一塊顯卡除了有圖像處理單元GPU之外，還擁有自己的內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存通常被稱(chēng)為顯存。GPU可以在顯存中存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)，但是對(duì)于渲染而言有一些數(shù)據(jù)類(lèi)型是必須的，所以一般顯存中都包含圖像緩存，深度緩存，紋理緩存，頂點(diǎn)緩存。

因?yàn)轱@卡驅(qū)動(dòng)的存在，幾乎所有的GPU都可以和OpenGL打交道，也可以和DirectX一起合作。從顯卡的角度出發(fā)，實(shí)際上它只需要和顯卡驅(qū)動(dòng)打交道就可以了。而顯卡驅(qū)動(dòng)就好像一個(gè)中介，負(fù)責(zé)和兩方溝通。因此，一個(gè)顯卡制造商為了讓他們的顯卡可以同時(shí)和OpenGL和DirectX合作，就必須提供支持這兩個(gè)接口的顯卡驅(qū)動(dòng)。

圖2.18 CPU、OpenGL/DirectX、顯卡驅(qū)動(dòng)和GPU之間的關(guān)系

五、什么是Draw Call

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Draw Call就是CPU調(diào)用GPU圖形繪制接口，如OpenGL中常用的glDrawArrays或者glDrawElements,DX中的DrawIndexedPrimitive等命令。用來(lái)命令GPU執(zhí)行相應(yīng)的繪制任務(wù)。

一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)是，Draw Call中造成性能的元兇是GPU，認(rèn)為GPU上的狀態(tài)切換是耗時(shí)的，其實(shí)不是的，真正“拖后腿”其實(shí)的是CPU。

1.CPU和GPU是如何實(shí)現(xiàn)并行工作的？

如果沒(méi)有流水線(xiàn)化，那么CPU需要等到上一個(gè)GPU完成上一個(gè)渲染任務(wù)才能再一次發(fā)送渲染命令。但這種方法顯然會(huì)造成效率低下。因此我們需要讓CPU和GPU可以并行工作。而解決方法就是使用一個(gè)命令緩沖區(qū)（Command Buffer）。

命令緩沖區(qū)包含了一個(gè)命令隊(duì)列，由CPU向其中添加命令，而由GPU從中讀取命令，添加和讀取的過(guò)程是相互獨(dú)立的。命令緩沖區(qū)使得CPU和GPU可以相互獨(dú)立的工作。當(dāng)CPU需要渲染一些對(duì)象時(shí)，它可以向命令緩沖區(qū)中添加命令，而當(dāng)GPU完成了上一次的渲染任務(wù)后，它就可以從命令隊(duì)列中再取出一個(gè)命令并執(zhí)行它。

命令緩沖區(qū)的命令有很多種類(lèi)，而Draw Call是其中一種，其它命令還有改變渲染狀態(tài)等（例如改變使用的著色器，使用不同的紋理等。）下圖顯示了這樣的一個(gè)例子。

圖2.19 命令緩沖區(qū)。CPU通過(guò)圖像編程接口向命令緩沖區(qū)中添加命令，而GPU從中讀取命令并執(zhí)行。黃色方框內(nèi)的命令就是Draw Call，而紅色方框內(nèi)的命令用于改變渲染狀態(tài)。我們使用紅色方框來(lái)表示改變渲染狀態(tài)的命令，是因?yàn)檫@些命令往往更加耗時(shí)

2.為什么Draw Call多了會(huì)影響幀率？

每次調(diào)用Draw Call之前，CPU需向GPU發(fā)送很多內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)、狀態(tài)和命令等。在這一階段，CPU需要完成很多工作，例如檢查渲染狀態(tài)等。而一旦CPU完成了這些準(zhǔn)備工作，GPU就可以開(kāi)始本次渲染。GPU渲染能力是很強(qiáng)的，渲染200個(gè)或是2000個(gè)三角網(wǎng)格通常沒(méi)有什么區(qū)別，因此渲染速度往往快于CPU提交命令的速度。如果Draw Call的數(shù)量太多，CPU就會(huì)把大量時(shí)間花費(fèi)在提交Draw Call上，造成CPU過(guò)載。如下圖所示：

圖2.20 命令緩沖區(qū)中的虛線(xiàn)方框表示GPU已經(jīng)完成的命令。此時(shí)，命令緩沖區(qū)中沒(méi)有可以執(zhí)行的命令了，GPU處于空閑狀態(tài)，而CPU還沒(méi)有準(zhǔn)備好下一個(gè)渲染命令。

3.如何減少Draw Call

盡管減少Draw Call的方法很多，但我們這里僅討論使用批處理（Batching）的方法。

我們說(shuō)過(guò)，提交大量的Draw Call會(huì)造成CPU的性能瓶頸，即CPU把時(shí)間都花費(fèi)在準(zhǔn)備Draw Call的工作上了。那么一個(gè)很顯然的優(yōu)化想法就是把很多小的DrawCall合并成一個(gè)大的DrawCall，這就是批處理的思想，下圖顯示了批處理所做的工作。

需要注意的是，由于我們需要在CPU內(nèi)存中合并網(wǎng)格，而合并的過(guò)程是需要消耗時(shí)間的。因此，批處理技術(shù)更加適合于那些靜態(tài)物體，例如不會(huì)移動(dòng)的大地、石頭等，對(duì)于這些靜態(tài)物體我們只需要合并一次即可。當(dāng)然，我們也可以對(duì)動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行批處理。但是，由于這些物體是不斷運(yùn)動(dòng)的，因此每一幀都需要重新進(jìn)行合并然后發(fā)送給GPU，這對(duì)空間和時(shí)間都會(huì)造成一定影響。

圖2.21 利用批處理，CPU在RAM把多個(gè)網(wǎng)格合并成一個(gè)更大的網(wǎng)格，再發(fā)送給GPU，然后在一個(gè)Draw Call中渲染它們。但要注意的是，使用批處理合并的網(wǎng)格將會(huì)使用同一種渲染狀態(tài)。也就是說(shuō)，如果網(wǎng)格之間需要使用不同的渲染狀態(tài)，那么就無(wú)法使用批處理技術(shù)

在游戲開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了減小Draw Call的開(kāi)銷(xiāo)，有兩點(diǎn)需要注意。
（1）避免使用大量很小的網(wǎng)格。當(dāng)不可避免的需要使用很小的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮是否可以合并它們。
（2）避免使用過(guò)多的材質(zhì)。盡量在不同的網(wǎng)格之間公用同一個(gè)材質(zhì)。

六、什么是固定管線(xiàn)渲染

固定函數(shù)的流水線(xiàn)（Fixed-Function Pipeline），也簡(jiǎn)稱(chēng)為固定管線(xiàn)，通常是指在較舊的GPU上實(shí)現(xiàn)的渲染流水線(xiàn)。這種流水線(xiàn)只給開(kāi)發(fā)者提供一些配置操作，但開(kāi)發(fā)者沒(méi)有對(duì)流水線(xiàn)階段的完全控制權(quán)。

固定管線(xiàn)通常提供了一系列接口，這些接口包含了一個(gè)函數(shù)入口點(diǎn)（Function Entry Points）集合，這些函數(shù)入口點(diǎn)會(huì)匹配GPU上的一個(gè)特定邏輯功能。開(kāi)發(fā)者們通過(guò)這些接口來(lái)控制渲染流水線(xiàn)。換句話(huà)說(shuō)，固定渲染管線(xiàn)是只可配置的管線(xiàn)。一個(gè)形象的比喻是，我們?cè)谑褂霉潭ü芫€(xiàn)進(jìn)行渲染時(shí)，就好像在控制電路上的多個(gè)開(kāi)關(guān)，我們可以選擇打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)開(kāi)關(guān)，但永遠(yuǎn)無(wú)法控制整個(gè)電路的排布。

隨著時(shí)代的發(fā)展，GPU的流水線(xiàn)越來(lái)越朝著更高的靈活性和可控性方向發(fā)展，可編程渲染管線(xiàn)應(yīng)運(yùn)而生。具體的可查閱相關(guān)文獻(xiàn)，但是在這里說(shuō)明，如果不是為了對(duì)較舊的設(shè)備進(jìn)行兼容，不建議使用固定管線(xiàn)渲染方式。