渲染管线 | AlunWorker

前言

学习Shader就离不开渲染管线，渲染管线是流水线工作的处理形式把3D元素转换到屏幕上2D图像，渲染管线大致分为4个阶段分别是:应用阶段、几何阶段、光栅化阶段、逐片元操作，游戏引擎一般还有一个比较常见的后处理阶段，最后才到输出。

准备基本场景数据
- 场景物体数据
- 摄像机数据
- 光源及阴影数据
- 其他全局数据
优化(粗粒度剔除、加速算法)
- 视锥剔除
- 遮挡剔除
- 层级剔除
- 距离剔除
- 其他算法
设置渲染状态，准备渲染参数
- 绘制设置(着色器、合批方式)
- 绘制顺序(相对摄像机距离、材料RenderQueue、UICanvas等等)
- 渲染目标（FrameBuffer、RenderTexture）
- 渲染模式(前向渲染、延迟渲染)
调用DrawCall，输出渲染图元到显存
- 顶点数据（位置、颜色、法线、纹理uv坐标）
- 其他数据（MVP变化矩阵、纹理贴图等等）

顶点着色器(Vertex Shading)(可编程)
- 视图转变
- 顶点着色
投影
- 正交(NDC中，W等于1)
- 透视(NDC中，W代表与摄像机的距离,近小远大)
裁剪
- 视锥体裁剪(CVV)
- 正面或背面剔除(可配置)
屏幕映射(Screen Mapping)
- 视口空间坐标会被转换为屏幕坐标，这些坐标直接对应于帧缓冲区中的像素位置。
- 屏幕坐标的X和Y值决定了像素在屏幕上的水平和垂直位置，而Z值则用于深度缓冲区中的深度信息。

图元、几何图元、渲染图元三个的区别:

图元（Primitive）: 这是图形渲染中的基本单位，可以是点、线、三角形等。图元是构成更复杂图形和模型的基础⁴。
几何图元（Geometry Primitive）: 这些是由图元组成的，用于描述对象的几何形状。它们是渲染管线中的输入数据，例如顶点数据、纹理坐标、顶点法线和顶点颜色等¹。
渲染图元（Rendering Primitive）: 这些是在图形渲染过程中实际被处理的图元。在OpenGL中，渲染图元包括了渲染所需的几何信息，如顶点数据、线段、多边形等，并且它们对应绘图界面上可见的实体⁵。

简单来说，图元是构建几何图元的基本元素，而渲染图元则是在渲染过程中实际被处理和转换成最终图像的元素。

图元（Primitive）是计算机图形学中的一个术语，它指的是构成计算机生成图像（Computer Graphics, CG）的基本形状或对象。图元是图形渲染过程中的最小单位，可以被视为构建更复杂场景的构建块。以下是一些常见的图元类型：

在计算机图形学和渲染管线中，Draw Call（绘制调用或绘制命令）是CPU向GPU发出的指令，用于告诉GPU绘制特定的几何图形或图像。一个Draw Call通常包含了一组渲染特定图像所需的全部信息。

在计算机图形学中，NDC（Normalized Device Coordinates，归一化设备坐标）是一种坐标系统，用于在裁剪空间和屏幕空间之间进行转换。NDC坐标系的特点是其坐标值范围在-1到1之间，这使得它们非常适合用于线性变换和透视除法。

NDC中的XYZW四个分量代表：

X：代表水平方向的坐标，范围从-1到1。在NDC中，-1表示最左边的边界，1表示最右边的边界。
Y：代表垂直方向的坐标，同样范围从-1到1。在NDC中，-1表示最底部的边界，1表示最顶部的边界。请注意，在不同的图形API（如OpenGL和Direct3D）中，Y轴的方向可能相反。
Z：代表深度方向的坐标，也从-1到1。在NDC中，-1通常表示视图的近裁剪平面，而1表示远裁剪平面。
W：这是一个额外的维度，称为齐次坐标（Homogeneous Coordinate）。它通常用于透视除法，以将三维坐标转换为二维坐标。在NDC中，W通常不等于0，因为如果W为0，那么经过透视除法后，X、Y、Z坐标将会变为未定义。

在渲染管线的几何阶段，顶点着色器会输出NDC坐标。然后，这些坐标会经过光栅化阶段，最终转换为屏幕空间坐标，这些屏幕坐标的X和Y分量用于确定像素在帧缓冲区中的位置。

总结来说，NDC坐标系是渲染管线中一个非常关键的步骤，它允许GPU以一种标准化和高效的方式来处理屏幕映射和透视变换。

片元（Pixel） 是图像处理和计算机图形学中的一个基本概念，指的是构成数字图像的基本单元。每个片元代表图像中的一个点，它具有特定的颜色和亮度值。在数字图像中，所有的颜色和细节都是通过这些片元的组合来表示的。

以下是片元的一些关键特性：

颜色和亮度：每个片元都存储有颜色信息，通常用红、绿、蓝（RGB）三个颜色通道的值来表示，这些值决定了片元的颜色和亮度。
分辨率：图像的分辨率由其宽度和高度的片元数量决定。分辨率越高，图像的细节越丰富。
像素密度：像素密度（PPI，Pixels Per Inch）是指每英寸长度内包含的片元数量，它影响图像的清晰度。
位深度：位深度（Bit Depth）是指每个颜色通道可以存储的位数，它决定了颜色的精度。例如，8位颜色深度可以表示256种颜色，而24位颜色深度可以表示超过1600万种颜色。
图像格式：不同的图像格式，如JPEG、PNG、GIF等，决定了片元数据的存储和压缩方式。

在计算机图形学中，片元也用于渲染过程，其中3D模型被转换成2D图像。在这个过程中，3D场景中的每个点在投影到2D平面时，都会转换成一个片元，并根据场景的光照、纹理等属性计算其颜色和亮度值。这个过程称为光栅化（Rasterization）。