圖形管道概述

我們將討論渲染一幅帶有基本光照的單個(gè)圖像的大體過程，這里不考慮動畫和全局光照，如陰影和輻射度。

此外，注意這里只從概念上講解通過圖形管道的數(shù)據(jù)流，其順序并不是固定的。實(shí)踐中，我們也許會為了性能的優(yōu)化而并行或亂序執(zhí)行一些任務(wù)。比如，考慮到不同的渲染API，我們可能首先變換和照明所有頂點(diǎn)，然后才進(jìn)一步的處理（進(jìn)行裁剪和剔除），或者會并行處理二者，也可能在背面剔除之后再進(jìn)行光照會得到更高效率。

還有一個(gè)我們將不詳細(xì)討論的要點(diǎn)，即工作負(fù)擔(dān)如何在CPU與渲染硬件間分配。正確地組織渲染任務(wù)，以求得最大的并行效果對高效渲染是至關(guān)重要的。

考慮上述簡化，就得到了圖形管道中數(shù)據(jù)流的概況，如下所示：

（1）建立場景：開始渲染之前，需要預(yù)先設(shè)定對整個(gè)場景有效的一些選項(xiàng)。比如，要建立攝像機(jī)位置，或者更具體些，要選擇進(jìn)行渲染的出發(fā)點(diǎn)---視點(diǎn)，渲染的輸出---視圖。還需要設(shè)定光照與霧化選項(xiàng)，同時(shí)準(zhǔn)備z緩沖。

（2）可見性檢測：選好了攝像機(jī)，就必須檢測場景中哪些物體是可見的。可見性檢測對實(shí)時(shí)渲染極為重要，因?yàn)槲覀儾辉敢饫速M(fèi)時(shí)間去渲染那些根本看不到的東西。

（3）設(shè)置物體級的渲染狀態(tài)：一旦發(fā)現(xiàn)某物體潛在可見，就到了把它實(shí)際繪制出來的時(shí)候。每個(gè)物體的渲染設(shè)置可能是不同的，在渲染該物體的任何片元之前，首先要設(shè)置上述選項(xiàng)，最常見的此類選項(xiàng)是紋理映射。

（4）幾何體的生成與提交：接著實(shí)際向API提交幾何體，通常提交的數(shù)據(jù)是種種形式的三角形，或是獨(dú)立的三角形，或是索引三角網(wǎng)格與三角帶。此階段，我們可能會應(yīng)用LOD，或者漸進(jìn)式生成幾何體。

（5）變換與光照：一旦渲染API得到了三角形數(shù)據(jù)，由模型空間向攝像機(jī)空間的頂點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與頂點(diǎn)光照計(jì)算即開始。

（6）背面剔除與裁剪：然后，那些背對攝像機(jī)的三角形被去除（"背面剔除"）；三角形在視椎外的部分也被去除，稱作裁剪---這可能導(dǎo)致產(chǎn)生多于三個(gè)邊的多邊形。

（7）投影到屏幕空間：在3D裁剪空間中經(jīng)裁剪產(chǎn)生的多邊形，被投影到輸出窗口的2D屏幕空間里。

（8）光柵化：當(dāng)把裁剪后的多邊形轉(zhuǎn)換到屏幕空間后，就到了光柵化階段。光柵化指計(jì)算應(yīng)繪制三角形上的哪些像素的過程，并為接下來的像素著色階段提供合理的插值參數(shù)（如光照和紋理映射坐標(biāo)）。

（9）像素著色：最后，在管道的最后階段計(jì)算三角形的色彩，此過程稱作"著色"。接著把這些顏色寫至屏幕，這是可能需要alpha混合與z緩沖。

下面的偽代碼描述了渲染管道，為了達(dá)到概觀的目的，大量細(xì)節(jié)被省去了。同時(shí)，由于渲染平臺和API的不同，實(shí)踐中會有許多不同的形式。

設(shè)定視圖參數(shù)

渲染場景之前，首先必須建立攝像機(jī)和輸出窗口。即必須決定從哪個(gè)位置進(jìn)行觀察渲染（視點(diǎn)位置、方向、縮放）以及把渲染結(jié)果送到哪里（屏幕上的目標(biāo)矩形區(qū)域）。上述二者中，輸出窗口較為簡單，故先討論輸出窗口。

指定輸出窗口

我們不一定要把圖像渲染到整個(gè)屏幕。比如，一個(gè)分屏的多人游戲，每個(gè)玩家只占據(jù)顯示屏幕的一部分。輸出窗口即指輸出設(shè)備中圖像將要渲染到的那部分，如圖15.1所示：

窗口位置由左上角像素（winPos_x，winPos_y）給出，整數(shù)winRes_x、winRes_y是以像素為單位的窗口大小，如此定義，使用窗口大小而不是右下角的坐標(biāo)，可避免整數(shù)像素坐標(biāo)系帶來一些麻煩。同時(shí)要注意窗口的實(shí)際物體大小和像素大小的區(qū)別。

要知道我們不一定在屏幕上渲染，也許只是將渲染結(jié)果保存到一個(gè)TGA文件里，或是AVI的一幀，也許只是渲染到一個(gè)紋理上---作為主渲染器的一個(gè)子過程而已，因此，名詞"幀緩沖"一般指用來保存我們正渲染圖像的那塊內(nèi)存。

像素縱橫比

不管是渲染到屏幕還是緩沖區(qū)，我們必須知道像素的縱橫比。它是像素高對寬的比值，一般為1（"方形"像素），不過并非總是如此。下面給出其計(jì)算公式（公式5.1）：

pixPhys指像素物理尺寸。一般來說，度量單位并無關(guān)系，比例才是重要的。devPhys是顯示設(shè)備的物理高與寬比，尺寸可能是英寸、英尺、picas等，但也只有比例才是重要的。比如，標(biāo)準(zhǔn)的桌面顯示器，尺寸各異但卻擁有相同的比值4:3---視區(qū)寬大于高約33%。另一個(gè)常見比例是高清晰電視和DVD上的16:9。整數(shù)devRes_x和devRes_y是x、y方向的像素比，如640 x 480指devRes_x=640，devRes_y=480。

如前所述，比值為1的方形像素最為常見。如標(biāo)準(zhǔn)桌面顯示器，有4:3的物理縱橫比，而許多常見解析度：320 x 240，640 x 480，800 x 600，1024x 768，1600 x 1200也都是4:3，因此像素是方形的。

注意計(jì)算中未用到窗口的尺寸及位置，這是合理的，窗口性質(zhì)不影響像素的物理屬性。但是，窗口尺寸在視場問題中十分重要，而位置對攝像機(jī)到屏幕的映射是關(guān)鍵。

視錐

視錐是攝像機(jī)可見的空間體積，看上去像截掉頂部的金字塔，如圖15.2所示：

視錐是由6個(gè)裁剪面圍成的。構(gòu)成視錐的4個(gè)側(cè)面稱為上、左、下、右面，它們對應(yīng)著輸出窗口的四邊。為防止物體離攝像機(jī)過近，設(shè)置近剪面，從而去除金字塔形的頂端。同理，也設(shè)置了視野的遠(yuǎn)端，因?yàn)樘h(yuǎn)的物體實(shí)際上太小而不可見，故可有效而安全地去掉。

視場與縮放

攝像機(jī)同其他物體一樣有位置和朝向，同時(shí)它還具有"視場"這一額外的屬性。另一名詞"縮放"你也許已經(jīng)很熟悉，直觀上，你早就知道放大和縮小。但拉近時(shí)，物體顯大；拉遠(yuǎn)時(shí)，物體顯小，這太常見了。

視場是視錐所截的角。實(shí)際上需要兩個(gè)角：分別對應(yīng)水平視場和垂直視場。這里只在2D中討論其中一個(gè)，圖15.3從上方顯示了視錐，精確的展示了水平視場角，坐標(biāo)軸的標(biāo)記用的是攝像機(jī)空間。

縮放表示物體實(shí)際大小和物體在90^。視場中顯示大小的比。所以大比值表示放大，小比值表示縮小。比如，2.0的縮放表示物體在屏幕上比用90^。視場時(shí)大兩倍。縮放的幾何解釋如圖15.4所示：

應(yīng)用基本三角知識，就能推導(dǎo)出縮放和視場角之間的轉(zhuǎn)換公式：

在3D中，需要兩個(gè)縮放值，一個(gè)水平的，一個(gè)垂直的。可以隨意給值，但如果二者比例不恰當(dāng)，圖像便像被拉伸過似的（好比寬銀幕電影在電視上播出）。為了維持恰當(dāng)?shù)谋壤s放要和輸出窗口的尺寸對應(yīng)：

假設(shè)輸出為正常比例，許多渲染引擎允許僅用一個(gè)視場角（或zoom值）設(shè)定攝像機(jī)，然后自動計(jì)算另一個(gè)。例如，可以指定水平視場角，自動計(jì)算垂直視場角，反之亦然；或者指定視場角中較大的一個(gè)，自動計(jì)算較小的。