你了解GPU嗎?GPU原理+渲染流程介紹

GPU是每臺(tái)電腦不可缺少的組件，缺少GPU，我們的筆記本將無(wú)法正常顯示圖像。即便我們每天都在運(yùn)用GPU，但是大家真的了解GPU的原理嗎?了解GPU渲染流程嗎?如果你對(duì)GPU以及GPU相關(guān)知識(shí)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

GPU渲染流水線，是硬件真正體現(xiàn)渲染概念的操作過(guò)程，也是最終將圖元畫到2D屏幕上的階段。GPU管線涵蓋了渲染流程的幾何階段和光柵化階段，但對(duì)開發(fā)者而言，只有對(duì)頂點(diǎn)和片段著色器有可編程控制權(quán)，其他一律不可編程。如下圖：

簡(jiǎn)單總結(jié)GPU管線，這階段中主要是對(duì)圖元進(jìn)行操作。首先，將由應(yīng)用階段加載到顯存中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)(由drawCall指定后)作為輸入傳遞給頂點(diǎn)著色器。接著，頂點(diǎn)著色器首先對(duì)圖元的每個(gè)頂點(diǎn)設(shè)置模型視圖變換及投影變換(即右乘MVP矩陣)，然后將變換后的頂點(diǎn)按照攝像機(jī)視椎體定義(即透視投影，或正投影)進(jìn)行裁剪，將不在視野內(nèi)的頂點(diǎn)去掉并剔除某些三角面片。最后到幾何階段的屏幕映射，負(fù)責(zé)把修改過(guò)的圖元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕坐標(biāo)系中(即投影到屏幕上)。

到光柵化階段，這一階段主要目的是將每個(gè)圖元轉(zhuǎn)換為多個(gè)片段，并生成多個(gè)片段的位置，由片段著色器負(fù)責(zé)計(jì)算每個(gè)片段的顏色值。同時(shí)，在這階段片段著色器通常會(huì)要求輸入紋理，從而對(duì)每個(gè)片段進(jìn)行著色貼圖。每個(gè)片段在被發(fā)送到幀緩沖區(qū)之前，還會(huì)經(jīng)歷一些操作，這些操作可能會(huì)修改片段的顏色值，其中包括深度測(cè)試，模板測(cè)試，像素所有權(quán)測(cè)試，與當(dāng)前緩沖區(qū)相同位置顏色混合等等。

最后，幀緩沖區(qū)內(nèi)容被交換到屏幕進(jìn)行顯示。

下面會(huì)對(duì)各個(gè)階段每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析理解。

一、頂點(diǎn)著色器

頂點(diǎn)著色器是一段類似C語(yǔ)言的程序(即OpenGL的GLSL，或只支持微軟的HLSL，或Unity的Cg)，由程序員提供并在GPU上執(zhí)行，對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)都執(zhí)行一次運(yùn)算。頂點(diǎn)著色器可以使用頂點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算改頂點(diǎn)的坐標(biāo)，顏色，光照和紋理坐標(biāo)等。在渲染管線中，每個(gè)頂點(diǎn)都獨(dú)立的被執(zhí)行。原因在于頂點(diǎn)著色器本身不能創(chuàng)建或刪除頂點(diǎn)，也無(wú)法得到頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的關(guān)系，如無(wú)法知道兩個(gè)頂點(diǎn)是否屬于同一個(gè)三角網(wǎng)格。正因這獨(dú)立性，GPU可以并行化處理每一個(gè)頂點(diǎn)，提高處理速度。

頂點(diǎn)著色器最重要的功能是執(zhí)行頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換和逐頂點(diǎn)光照。坐標(biāo)變換是改變頂點(diǎn)的位置，把頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間(即將本地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為裁剪坐標(biāo)系)。通過(guò)改變頂點(diǎn)位置可以實(shí)現(xiàn)很多酷炫的shader效果，如模擬水面，布料等等，這里后面添加實(shí)例學(xué)習(xí)例子再詳細(xì)說(shuō)明?！№旤c(diǎn)著色器的另一功能是向后續(xù)階段的片段著色器提供一組易變(Varying)變量，用于插值計(jì)算。

二、圖元裝配

在頂點(diǎn)著色器程序輸出頂點(diǎn)坐標(biāo)之后，各個(gè)頂點(diǎn)按照繪制命令(DrawArrays或DrawElements)中的圖元類型參數(shù)和頂點(diǎn)索引數(shù)組被組裝成一個(gè)個(gè)圖元，并對(duì)其進(jìn)行如下圖的圖元操作：

裁剪，處于視椎體以外的圖元將被丟棄，若該圖元與視椎體相交則會(huì)發(fā)生裁剪產(chǎn)生新圖元，如下圖：

注意一點(diǎn)，透視裁剪是比較影響性能的過(guò)程，因?yàn)槊總€(gè)圖元都需要和6個(gè)裁剪面進(jìn)行相交計(jì)算并產(chǎn)生新圖元。所以一般在x軸，y軸超出屏幕(由glViewPort定義)的部分，這些頂點(diǎn)在視口變換的時(shí)候被更高效的直接丟棄，無(wú)須產(chǎn)生新圖元。

視椎體在OpenGL中可以通過(guò)gluPerspecTIve來(lái)定義對(duì)應(yīng)的大小結(jié)構(gòu)，在Cocos2dx引擎中，Director類的setProjecTIon方法就定義了cocos的渲染用到的視椎體，大家可以閱讀對(duì)應(yīng)的代碼了解學(xué)習(xí)下。

經(jīng)過(guò)視椎體裁剪后的頂點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)透視分離(指由硬件做透視除法)，得到范圍是[0,1]的歸一化的設(shè)備坐標(biāo)，最后映射到屏幕或者視口上。

三、片段著色器

【先補(bǔ)充一點(diǎn)，其實(shí)在光柵化之前，要判斷圖元的朝向，是面向還是背對(duì)觀察者，以決定是否需要丟棄圖元。在OpenGL可通過(guò)glFrontFace指令來(lái)決定哪個(gè)方向?yàn)檎⑼ㄟ^(guò)glCullFace決定需要保留哪一面(別忘了要先打開剔除狀態(tài)設(shè)置才可以調(diào)用指令 glEnable(GL_CULL_FACE);)。這樣設(shè)計(jì)的好處是能減少一些不必要的繪制，并減少對(duì)GPU的浪費(fèi)。】

回到正題，片段著色器同上述的頂點(diǎn)著色器，只是它作用的對(duì)象是每一片段，對(duì)其進(jìn)行著色貼圖。片元著色器的輸入是根據(jù)那些從頂點(diǎn)著色器中輸出的數(shù)據(jù)插值得到的，其中最重要的渲染技術(shù)之一是紋理采樣。在頂點(diǎn)著色器階段輸出每一頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，然后經(jīng)過(guò)光柵化階段對(duì)三角網(wǎng)格的3個(gè)頂點(diǎn)各自紋理坐標(biāo)進(jìn)行插值運(yùn)算后便得到其覆蓋片元的紋理坐標(biāo)，從而在片元著色器中進(jìn)行紋理采樣。如下圖：

四、逐片元操作

這里篇幅原因不一一分析每種測(cè)試操作，大家可以通過(guò)看書了解對(duì)應(yīng)的用途。下面舉混合操作來(lái)分析一下。下圖是簡(jiǎn)化流程圖：

對(duì)于不透明的物體，可以直接關(guān)閉混合Blend操作，這樣片元著色器計(jì)算得到的顏色值直接覆蓋更新緩沖區(qū)的顏色值。但對(duì)于半透明物體就必須開啟使用混合操作從而讓物體看起來(lái)是透明的。開發(fā)過(guò)程中無(wú)法得到透明效果的原因，往往有可能是沒(méi)有開啟混合功能的原因。

由于計(jì)算機(jī)圖形的性質(zhì)，圖形管線已構(gòu)造為計(jì)算狀態(tài)與數(shù)據(jù)流動(dòng)作為它們之間的數(shù)據(jù)流。每個(gè)階段工作在一組元素，如頂點(diǎn)，三角形或像素。下圖1[ Shr99 ]給出了典型的OpenGL固定管道。

人們很容易看到這種體系結(jié)構(gòu)如何類似于中描述的流計(jì)算模型上一節(jié)。這種類型的固定結(jié)構(gòu)的是，直到最近，計(jì)算機(jī)圖形卡制造商的標(biāo)準(zhǔn)可循。雖然類似流計(jì)算模式，它提供了很少或沒(méi)有編程的用戶，因此，它是不可用于比處理圖形指令的其他任何任務(wù)。2000年[ Owe05 ]，GPU 小號(hào)允許管道的關(guān)鍵部位的可編程性一定程度。

當(dāng)前GPU 小號(hào)允許用戶在形式的圖形流水線的兩個(gè)階段幾乎任何類型的功能進(jìn)行編程頂點(diǎn)程序和片段的方案。這些允許用戶分別寫在頂點(diǎn)和片段數(shù)據(jù)的程序。下圖示出了更近的映射的OpenGL可編程管線到流模型。

該頂點(diǎn)處理器

頂點(diǎn)處理器輸入的頂點(diǎn)值和其相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。它的目的是執(zhí)行傳統(tǒng)的圖形操作，如：頂點(diǎn)變換，正常轉(zhuǎn)化和規(guī)范化，紋理坐標(biāo)生成和改造，照明和顏色計(jì)算[ Ros04。因?yàn)轫旤c(diǎn)處理器是能夠改變輸入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的位置，從而影響最終圖像的要繪制。由于圖像是，在本質(zhì)上，的存儲(chǔ)器陣列，頂點(diǎn)處理器能夠分散狀操作。另外，最近的處理器能夠從紋理存儲(chǔ)器讀出，從而產(chǎn)生一種特殊的延遲收集動(dòng)作。我們稱之為延遲，因?yàn)轫旤c(diǎn)不能直接從其他頂點(diǎn)元件讀取的信息，但它可以讀取的任何數(shù)據(jù)從先前的計(jì)算結(jié)果，如果它是在紋理存儲(chǔ)器編碼。在后面的章節(jié)中，我們將看到如何利用這一點(diǎn)來(lái)執(zhí)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。

頂點(diǎn)處理器可以在SIMD(單指令多數(shù)據(jù))或MIMD(多指令多數(shù)據(jù))模式下運(yùn)行; 因此，允許兩個(gè)，一個(gè)處理器單元中的指令和任務(wù)并行。由于現(xiàn)代GPU 小號(hào)包含多個(gè)頂點(diǎn)處理器(最新的NVIDIA 和ATI卡有多達(dá)六個(gè))，我們可以開始欣賞并行這些體系結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的水平。

該碎片處理器

該片段處理器上的片段和它們相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。一些傳統(tǒng)上與片段著色器相關(guān)聯(lián)的操作是：質(zhì)地接入和應(yīng)用，霧，顏色和與上內(nèi)插值一般操作。如同頂點(diǎn)著色器，片段著色器可用于在GPU上執(zhí)行幾乎任何種類的計(jì)算。因?yàn)槠翁幚砥骺梢栽L問(wèn)紋理存儲(chǔ)器的隨機(jī)這是很容易的片段程序內(nèi)執(zhí)行聚集操作。實(shí)際上，這是很常見的使用紋理信息進(jìn)行依賴于其他紋理查找窗口; 功能移植算法的流計(jì)算模型時(shí)來(lái)真的很方便。

雖然在目前的GPU架構(gòu)碎片處理器可以在SIMD模式下運(yùn)行，是非常嚴(yán)格的那種，他們?cè)试S我們將看到，他們還是很容易執(zhí)行一般的計(jì)算操作。加，由于片段的處理片段的處理器數(shù)量的計(jì)算頻率比頂點(diǎn)處理器的數(shù)目越高。當(dāng)前頂級(jí)的線卡有十六歲左右的片段處理器。

以上便是此次小編帶來(lái)的“GPU”相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)本文，希望大家對(duì)GPU原理以及渲染原理具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來(lái)更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!