Real-Rime Rendering (1) - 渲染管线（Rendering Pipeline）

提要

渲染管线是实时渲染中最重要的部分，它的最主要的任务就是在给定一个虚拟的场景，包括相机，object，灯光，纹理等等，生成一副2D的图像。

最基础的渲染管线如下图所示：

主要的阶段包括三个：Application，Geometry，Rasterizer，每个阶段都可能分成更小的管线，有些小的阶段会并行执行。下面来一个个讨论。

The Application Stage

主要任务：碰撞检测，加速算法，变换动画，外部接口的输入等等。

它不能被细分成更小的阶段。

为了获得更好的表现，这个阶段通常会用多核执行的方式进行加速。

The Geometry Stage

主要任务：负责每个多边形，每个定点的操作。

可以对阶段进行细分，如下图：

每个小阶段的描述如下：

Model&View Thansform（模型变换和视口变换）

要获得三维时间坐标系场景的显示必须先建立观察用的坐标系，然后将对象描述转换到观察坐标系并投影到观察平面上。

模型转换相当与改变模型在世界坐标的位置，在Opengl中，主要有三个函数用于执行模型变换，它们是glTranslate*()、glRotate*()、glScale()。这些函数通过移动、旋转、拉伸或者反射，对物体进行变换，实质上是相当与产生一个适当的移动，旋转或缩放矩阵，然后以这个矩阵为参数调用glMultMatrix*()，也就是把当前矩阵与变换矩阵相乘，得到当前位置。

视口变换相用于修改观察点的位置和方向，opengl中用到的函数就是glLookAt().

Vertex Shading(定点着色)

为了产生真实可感的场景，不仅要渲染物体的形状和位置，它的appearance也要进行渲染。

生成材质的光照效果称为着色，在每个定点都存储着与着色相关的信息（颜色，法向量等），着色的结果计算好之后就会传递到Rasterizer Stage进行插值计算。

Projection（投影）

投影指的时将空间的场景投射到2D平面进行显示。

常见有两种投影方式，一种是平行投影（parallel projection），一种是透视投影（perspective projection）。

机械制图中的投影方式就是平行投影，投影的比例一定和原图一样。

照相机和人眼的观察方式属于透视投影，物体近大远小，符合素描中的透视关系。

Clipping（裁剪）

只有在视口空间的物体或物体的部分才需哟啊显示出来，当一些图元只是部分出现在视口中的时候，就需要对其进行裁剪。

Screen Mapping（屏幕映射）

只有在视口空间中的图元会到达这个阶段。

视口的坐标会被转换到screen的坐标。

ScreenMapping的阶段就负责将视口上坐标对应到屏幕坐标。

Rasterizer Stage（光栅化阶段）

目标：渲染每个像素的颜色。

可以分割成：

Triangle Stage ->Triangle Traversal -> Pixel Shading-> Merging

总结

这并不是渲染流水线的唯一组织形式，电影的渲染通常使用的时micro polygon pipelines, 学术研究和predictive rendering通常使用的光线追逐，现在一些渲染工具也使用了光线追踪渲染器，比如Blender。而OpenGL的渲染管线如下图所示:

通常硬件的渲染流水线都是确定的，比如任天堂的Wii，但如今可编程的GPU却给我们带来了另外的机会:在流水线的各个阶段去编写自己的代码，这也是现代GPU最大的优势。

有意思的视频

Crysis 2 - Behind The Scenes: Rendering Pipeline -
http://www.youtube.com/watch?v=-JVWU3hTdIw

参考

Real-Time Rendering 3rd

OpenGLProgramming Guide 7th

Fundamentals of Computer Graphics 2rd