计算机图形学入门11:图形管线与着色器

1.什么是图形管线

把场景中的物体经过一系列的处理,最后一张图像的形式在屏幕上显示出来,这一系列过程就是图形管线(Graphics Pipeline) ,也叫**实时渲染管线(Real-time Rendering Pipeline)。**如下图所示,为整个渲染管线的过程。

渲染管线从上到下依次完成以下步骤:

1.获取到场景中三维空间中的一些顶点。

2.经过投影变换,将这些点转换到屏幕坐标系下。

3.将这些点拼装成不同的三角形。

4.通过光栅化,将三角形离散成不同的着色点,也就是片元(Fragment)。

5.着色计算,给不同片元进行光照计算等处理。

6.输出到屏幕上。

这些步骤都是在硬件GPU上写好的。

着色(Shading) 会同时发生在顶点处理阶段(Vertex Processing)片元处理阶段(Fragment Processing) ,这个是因为考虑不同的着色频率。如果使用的是顶点着色(Gouraud Shading) ,对每个顶点进行着色处理那就发生在顶点处理阶段 ,如果使用的片元着色(Phong Shading) ,对每个片元(像素)进行着色,那么就发生在片元处理阶段。 在现代的GPU里,这套渲染管线允许有一部分是可编程的,这部分就叫做着色器( Shader),用来控制顶点和像素是如何进行着色的。

2.着色器

在上述已经说明了,在现代的GPU里,渲染管线允许有一部分是可编程的,在顶点和片元处理阶段,对顶点和片元(像素)是进行如何着色,这就是着色器(Shader)

Shader本质上是能够在硬件上执行的语言,举一个OpenGL上GLSL语言的例子,如下图所示,OpenGL是图形学中的一个API,可以写Shader。

Shader中每一个顶点或像素执行一次,写一个函数都是通用的,每一个像素都会执行,只需要操作一个顶点或像素。GPU都是并行计算的,运输性能远超CPU。

对顶点进行着色的叫做顶点着色器(Vertex Shader) ,对片元(像素)进行着色的叫做片元着色器(Fragment Shader) 。随着现代GPU的发展,出现了几何着色器(Geometry Shader) ,可以动态产生更多的三角形,对几何的操作。还出现了Compute Shader,它不仅仅是图形学内部的计算,还可以做各式各样通用的GPU计算。

练习Shader可以去Shadertoy BETA网站。以下图片是使用Shader实现的一个例子。

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