光栅化管线

光栅化管线由多个有序阶段组成，每个阶段专注于特定的处理任务，共同协作完成渲染。管线运行于 GPU，充分利用其并行计算能力，达到实时渲染的性能要求（通常 30-60 帧每秒）。光栅化管线的设计兼顾了速度与质量，适用于游戏、虚拟现实、实时可视化等场景。

光栅化管线与光线追踪管线不同，前者基于几何投影和像素填充，快速生成近似光照效果；后者模拟真实光路，追求物理真实感，但计算成本较高。光栅化管线的优势在于硬件优化和实时性，使其成为现代图形渲染的基石。

主要流程

光栅化管线由以下主要阶段组成，分为 CPU 端的应用程序阶段和 GPU 端的渲染阶段。每个阶段功能明确，协同完成从几何源数据到图形像素的转换。

应用程序阶段

• 应用程序阶段（Application Stage）运行于 CPU，由开发者控制，负责准备渲染所需的数据（模型、图像、材质等）和逻辑（shader 着色器）。
• 任务：
  • 场景管理：组织三维场景中的物体（模型、相机、光源）。
  • 数据准备：生成顶点数据（位置、法向量、纹理坐标）、索引缓冲区、纹理、变换矩阵（模型、视图、投影）。
  • 动画与物理：计算物体运动、骨骼动画、碰撞检测等。
  • 剔除优化：执行视锥剔除（Frustum Culling）、遮挡剔除（Occlusion Culling），减少无效物体提交。
  • 绘制命令：通过 API（如 glDrawArrays）提交渲染指令。
• 优化点：
  • 批量提交数据，减少 CPU-GPU 通信。
  • 使用顶点缓存（Vertex Buffer Objects, VBO）高效传输几何。

顶点着色

• 顶点着色（Vertex Shading）是 GPU 上运行的可编程阶段，处理每个顶点的几何变换和属性计算。注意，该顶点着色命名极具误导性，其更贴切的命令应当是投影变换。
• 任务：
  • 坐标变换：将模型的顶点从模型空间依次变换到世界空间、观察空间（视图矩阵）、裁剪空间（投影矩阵）。
  • 属性计算：处理法向量（用于光照）、纹理坐标、顶点颜色等。
  • 输出：裁剪空间坐标（gl_Position）和其他属性，传递给后续阶段。
• 优化点：使用统一变量（Uniforms）传递矩阵，减少重复计算。

图元装配

• 图元组装与裁剪（Primitive Assembly & Clipping）将顶点组织为图元（如三角形、线段、点），并进行裁剪优化。
• 任务：
  • 图元组装：根据绘制命令（如 GL_TRIANGLES）和索引，将顶点连接为三角形。
  • 背面剔除：根据顶点顺序（逆时针 CCW 为正面，顺时针 CW 为反面）移除不可见三角形（glEnable(GL_CULL_FACE)）。
  • 视锥裁剪：剔除位于视锥体外的图元，裁剪部分可见图元。
• 优化点：提前剔除减少光栅化负担。

光栅化

• 光栅化（Rasterization）将连续的图元转换为离散的像素片段（Fragments）。
• 任务：
  • 扫描转换：确定三角形覆盖的像素，使用扫描线算法。
  • 属性插值：插值顶点属性（如颜色、法线、纹理坐标），生成每个片段的数据。
  • 透视校正：对纹理坐标等属性进行透视校正，避免失真。
• 优化点：使用多级纹理（Mipmaps）优化纹理采样。

片段着色

• 片段着色（Fragment Shading）为每个片段（即像素点）计算最终颜色，决定像素外观。该步骤利用光照模型，模拟计算场景中的灯光打到模型表面时，在相机的视角应当看见的颜色数据。是整个图形渲染的核心步骤。
• 任务：
  • 光照模型：实现环境光、漫反射（Lambert）、镜面反射（Phong）等光源的模拟计算。
  • 纹理采样：从纹理中获取颜色或法线（法线贴图）。
  • 高级效果：阴影贴图、环境光遮蔽（SSAO）、基于物理的渲染（PBR）。
• 优化点：延迟渲染（Deferred Shading）减少光照计算。

测试与混合

• 测试与混合（Testing & Blending）决定片段是否写入帧缓冲区，以及如何与现有像素合成。
• 任务：
  • 深度测试：比较片段深度（glEnable(GL_DEPTH_TEST)），剔除被遮挡的片段。
  • 模板测试：用于特殊效果（如轮廓、镜像）。
  • 混合：处理透明效果（glBlendFunc），如玻璃、烟雾。
  • 抗锯齿：如多重采样抗锯齿（MSAA），平滑边缘。
• 优化点：早期深度测试（Early-Z）减少片段着色开销。

输出与显示

• 输出与显示（Framebuffer Output）将帧缓冲区的像素数据显示到屏幕。
• 任务：
  • 双缓冲交换（glfwSwapBuffers），避免闪烁。
  • 输出到渲染目标（Render Target），用于后处理或离屏渲染。