DirectX11笔记(四)--渲染管线

原文:DirectX11笔记(四)--渲染管线

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• 前言
• 渲染管线
• INPUT ASSEMBLER
• VERTEX SHADER
• TESSELLATION
• GEOMETRY SHADER
• RASTERIZATION
• PIXEL SHADER
• OUTPUT MERGER
• 结语

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前言

  在正式开始学习Dx11渲染之前还需要学习一个重要概念—-渲染管线. 渲染管线负责将3D摄像机(相当于人眼)看到的3D场景转换成一张2D图片显示在屏幕上.

  2D" title="">

  渲染管线其实就是在做一件事: 3D->2D

  所幸画家们早已将3D的世界画在2D的画卷中, 其中的原理已经被研究的非常透彻, 这些原理我们每日所见, 可能已经简单合理到让人不需要思考的地步, 但是在学习3D渲染的时候还是最好有着明确的认识. 将3D真实的转为2D的关键:

• 透视与近大远小
• 遮挡关系
• 光照
• 阴影

  正如之前所说, 这些原理实在过于直观和合理, 所以就不多做解释, 这里提及只为明确这些思想.

  

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渲染管线

  接下来正式说明渲染管线. 如下图即为DX11的渲染管线, 从GPU资源指向阶段的线表示该阶段可以将GPU资源作为输入, 从阶段指向内存的线表示这个阶段可以写GPU资源. 从图中可以看出大多数阶段是不会写GPU资源的, 更多的情况是前一阶段的输出会变成下一阶段的输入, 这就是所谓的管线.

  

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INPUT ASSEMBLER

  IA阶段会读取图形数据(顶点, 索引)并用这些数据生成基本物体(三角, 线等).

  顶点存储着物体的诸多信息(比如位置, 法线, 颜色等等), 将他们按照一定的规则组织便可以形成图形(这个规则被称为Primitive Topology). 由三个点便可以组成一个三角形, 比如为了表示一个八边形, 我们可以使用这样一个顶点的数组:

Vertex octagon[24] = {
    v0, v1, v2, // Triangle 0
    v0, v2, v3, // Triangle 1
    v0, v3, v4, // Triangle 2
    v0, v4, v5, // Triangle 3
    v0, v5, v6, // Triangle 4
    v0, v6, v7, // Triangle 5
    v0, v7, v8, // Triangle 6
    v0, v8, v1, // Triangle 7
};

  

  这时我们发现其实一个图形中会有很多的共用顶点, 这些共用顶点会增加内存的开销, 增加图形设备的压力. 使用三角形带可以避免这种情况, 但是更多时候三角形列表是更加灵活的选择. 于是索引的概念被提出. 我们同时创建顶点列表和索引列表, 顶点列表只存储9个顶点, 用索引列表来存储三角形的组织形式. 索引是简单的整型数据, 不会像顶点一样占据很多空间, 另外在良好的缓存下, 硬件重复处理相同顶点的情况也会下降, 所以使用索引这种方式是有效的优化方案.

Vertex v [9] = {v0, v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8};
UINT indexList[24] = {
    0, 1, 2, // Triangle 0
    0, 2, 3, // Triangle 1
    0, 3, 4, // Triangle 2
    0, 4, 5, // Triangle 3
    0, 5, 6, // Triangle 4
    0, 6, 7, // Triangle 5
    0, 7, 8, // Triangle 6
    0, 8, 1, // Triangle 7
};

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VERTEX SHADER

  顶点shader可以被看做一个方法, 他接受一个顶点再返回一个顶点, 虽然这个方法是我们编写, 但是他由GPU负责执行, 所以运行非常快. 诸如变换, 光照等很多效果都可以在这时进行计算.

在顶点shader中需要重点关注的是以下几件事:

1. World Transform: 自身坐标转换到世界坐标. 一个物体在进入渲染管线之前是在他自身坐标系下表示的, 这时通过顶点shader阶段后将会把它转换到世界坐标系中, 这样才能把物体放在场景中正确的位置上.
2. View Transform: 之前提到会有一个虚拟的摄像机代替人眼来看3D世界, 这个变换便是将经过世界变换的场景转换到摄像机的视角下. 我们把摄像机的位置视为原点, 摄像机观察的方向为z轴的正方向, 摄像机右侧为x轴正方向, 二者确定y轴的正方向(实际计算时会利用上方向和观察方向确定x轴, 然后再确定y轴). 这个坐标系确定了一个名为View Space的空间, View Transform便是从World Space到View Space的变换.
3. Projection Transform: 这个变换将经过View Transform处理后的世界投影到屏幕上, 他确定了3D物体在屏幕上的位置, 近大远小就是在这时产生的.

  这部分涉及大量变换和矩阵的基础知识, 有不明白的地方还需要及时回顾. 幸运的是Dx11的数学库为我们封装现成的方法, 在学习时可以直接使用. 但是在自己的引擎中还是应该自己实现.

  将这三种变换的矩阵相乘便得到了著名的WVP矩阵.

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TESSELLATION

  曲面细分是将一个三角形拆分成多个三角形的技术, 他可以实现诸如LOD等技术. 也可以让程序得以使用低模进行计算, 经过细分之后的”高模”进行渲染, 从而达到节省内存, 降低运算量等目的. 由于DX11之前曲面细分只能在CPU上进行, 这是很影响效率的, 所以这项技术并不流行. DX11新添加的曲面细分阶段提供了在GPU上进行曲面细分的方法, 这将极大地提升这部分的效率. 需要注意的是他并不是渲染管线的一个必须阶段, 所以他会在以后细说.

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GEOMETRY SHADER

  这又是一项可选的技术, 他是一种更高层次的技术, 会在以后说明. 他可以为不能创造顶点的Vertex Shader阶段做些事, 比如将一个输入的primitive扩展成多个或者通过某些条件控制某些primitive不输出. 需要注意的是定点的位置必须是经过Vertex Shader处理后再投影空间的位置.

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RASTERIZATION

  光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程. 该过程包含了两部分的工作:

1. 决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用.
2. 通过对顶点属性插值, 分配颜色, 深度等属性到各个区域.

  光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程. 片元中的每一个元素对应于帧缓冲区中的一个像素.

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PIXEL SHADER

  像素shader和顶点shader一样, 是我们编写的在GPU上执行的函数. 他会对每一个像素进行处理. 比如使用插值之后的顶点数据进行颜色计算. 像素shader可以做很多事情, 在以后我们会逐渐接触到.

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OUTPUT MERGER

  经过顶点shader处理之后的数据被送到输出合并阶段, 这个阶段会剔除一些像素(比如未通过深度测试), 剩下的像素会被写入back buffer. 混合(Blend)也发生在这个阶段, 透明效果一般就是通过混合技术实现的.

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结语

  以上是对渲染管线的一个简单介绍. 渲染管线是DirectX的重要概念, 他阐明了DX将虚拟的3D世界画在屏幕上呈现在人们眼前的标准流程. DX版本几经更迭也是在不断完善这条管线, 对管线的优化与调整(比如延迟渲染)可以实现更加丰富多彩的效果, 但这也建立在对渲染管线的理解上.

  基础理论务必理解, 更应牢记.