d3d12龙书阅读----d3d渲染流水线

输入装配器阶段

在输入装配器阶段，会从显存中读取顶点与索引这种几何数据，然后根据图形基元的类型，根据索引将顶点组装起来。

d3d中的图形基元

我们来看看几种常见的图形基元类型：

typedef

enum D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE

    {

        D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_UNDEFINED	= 0,

        D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_POINT	= 1,

        D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_LINE	= 2,

        D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_TRIANGLE	= 3,

        D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_PATCH	= 4

    } 	D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE;

我们可以看到可以把图形基元设置为未定义、点、线、三角形与控制点

索引

根据索引我们可以将顶点按照一定的顺序组装成一个个图形基元，如上图所示。

使用索引占用的内存小，并且可以利用重复的顶点数据,大大降低了内存的使用，提高效率

顶点着色器阶段

在硬件中顶点着色器执行的工作可用如下的伪代码表示：

顶点着色器可对顶点的位置进行空间变换，也可以实现其它的特效

本章只讨论了空间变换

局部空间到世界空间

每个物体对应一个局部坐标系

当我们需要在不同的场景下绘制物体或者在一个场景多次以不同的方式绘制同一个物体

这样我们就可以使用不同的世界矩阵来将变换物体

世界空间到观察空间

观察空间也就是摄像机对应的视椎体从世界空间转换到观察空间我们需要对坐标轴进行变换：

我们需要利用摄像机的朝向得到w向量

利用世界坐标系向上的向量j 叉积得到 u向量

最后再 w 与 u的叉积得到v向量从而得到变换矩阵

d3d中也为我们完成了上述矩阵的推导函数：

观察空间到裁剪空间

在观察空间中我们需要进行投影将3d转换为2d

我们假设视椎体的垂直视场角\(\alpha\) 纵横比r 以及近平面n 与远平面f

更进一步地我们假设投影平面的高为2 这样宽就为2r

利用相似关系我们可以得到x y 的变换同时我们也要保留z坐标用于深度的判断

由于我们还需要对z坐标进行归一化所以我们在对xy进行变换的同时需要保留z坐标的值我们可以使用第四维w来保存z

这样我们分析得到的初始矩阵如下：

在d3d中，我们需要将z坐标投影到0--1的范围在opengl中则是-1----1，所以我们可以得到两个等式来求出上图中未求出的A 与 B：

我们还可以对z的这种非线性变换作分析画出图像可知绝大多数的深度值都被映射到较小的区域这可能会对深度缓冲区的精度要求过高导致无法区分两个深度值

所以我们要尽可能的让近平面与远平面相差较大

裁剪空间到NDC空间

在裁剪空间完成裁剪之后我们进行透视除法除以深度值即进入NDC空间

曲面细分阶段

曲面细分是在渲染过程中可选的一阶段

它会将mesh中的三角形进行细分，增加三角形的数量，同时让三角形的位置适当偏移，呈现出更多的细节。

为什么要使用曲面细分？

首先，我们可以让近处的三角形，也就是离摄像机更近的三角形得到更加丰富的细节，而远处的三角形看不清则不做更改。

其次，我们在内存中只维护三角形数量较少的low-poly低模网格，再根据需求为其添加三角形，这样可以节省内存资源

最后，我们在进行动画与物理模拟时，使用低模网格，在进行渲染时采用高模网格。

在d3d11之前，曲面细分是在cpu端进行的，再将新的三角形上传给gpu，而现在已经提供了一组api，可以在gpu端直接实现曲面细分。

几何着色器阶段

几何着色器也是一个可选渲染阶段

它的输入是一个基本图元，输出是将该图元拓展为其它多个图元，或者销毁图元，主要起到销毁或者创建几何体的作用

光栅化阶段

光栅化的主要目的是为投影到屏幕上三角形计算出对应的像素颜色

视口变换

从NDC空间到屏幕空间将xy转换为以像素为单位

背面剔除

观察上述两个三角形

如果我们假设三角形三个顶点的顺序是v0，v1，v2 计算：

e1 = v1 - v0

e2 = v2 - v0

这两个向量的叉积如果是如上图左边那个三角形向外的我们就认为是正面朝向反之右边则是背面朝向

而正面朝向的三角形会遮挡住背面朝向的三角形

上图是2d情形下的遮挡从观察点看向该对象背面朝向的三角形不可见

上图是3d情形下的遮挡左边是完全透视情况下右边是实体模式正面三个面把背面三个面挡住了

顶点属性插值

利用透视校正插值利用三角形三个顶点的属性插值得到内部像素的属性

像素着色器阶段

像素着色器是对输入的每个像素根据顶点属性插值计算出像素颜色同时也能实现反射阴影等更复杂的效果

输出合并阶段

在输出合并阶段一些像素可能会被丢弃比如未通过深度测试或者模版测试然后剩下的像素会被写入后台缓冲区在此过程中可能会经过blend操作