GPU渲染简介

1. 3D绘图一些基本概念

2. 基本元素

   一个3D图形是由一些小的基本元素(顶点，边，面，多边形)构成，每个元素可以单独来操作。如图 1.1、图 1.2、图 1.3所示。

   

   图 1.1 顶点

   

   图 1.2 边

   

   图 1.3 面

3. 传统渲染流程(pipeline)

   

   图 1.4 传统渲染流程

   如图 1.4所示，一个传统的渲染流程包括几何处理阶段(Geometry Stage)和光栅化阶段(Rasterization Stage)。

4. 几何处理阶段

   几何处理阶段又称为T&L(transforming & lighting)阶段，主要负责将三维坐标系中的顶点(vertex)转换成二维坐标系中的点(transforming阶段)、对顶点做初步光照计算(lighting阶段)。由于目前显示器只能以二维方式显示，所以要将各个点做坐标系的转换。如图 1.5所示，三维坐标系中的三个顶点根据观察的方向(screen position)投影到二维坐标系中，从而得到了这三个点的二维坐标。

   

   图 1.5 坐标系转换

   接着GPU根据程序规定好的这些点之间的关系，将这些点连接起来，这样一个物体就有了外形了，如图 1.6、图 1.7所示。

   

   图 1.6 顶点生成

   

   图 1.7 多边形生成

   完成上述工作后，接下来就要进入初步贴图(Vertex Texture)和初步光照计算(Vertex Lighting)阶段。如图 1.8所示：

   

   图 1.8 初步贴图和打光阶段

5. 光栅化阶段

   经过几何阶段处理可以得到二维平面中的图像。但是要将这个二维图像在显示器上显示出来，还必须要将图像转换为一系列的片元(fragment)，片元在接下来的处理中有可能变成最终图像中的像素。如图 1.9、图 1.10所示。

   

   图 1.9 光栅化三角形

   

   图 1.10 光栅化三角形并进行插值着色

   一个片元就是一个数据结构，这个数据结构中包含位置、颜色、深度等信息。然后对这些片元进行贴图融合、光照计算、或者雾化等其他操作以形成最终图片中的像素。之后对这些像素做最后的缩放和抗锯齿处理，形成最终的图像，将这些图像数据输出到系统中的frambuffer就能在显示器上看到图像了。

    

    

6. 可编程着色器(Programmable Shader)

   在传统渲染流程中，人们对像素的操作实际上仅仅能够称之为染色，对特效的处理只能通过固定的单元来实现，每一代图形API所能够实现的特定的特效，都需要通过预先将其固化成固定指令的形式出现在硬件中。而对于像素的处理，也仅能局限与固化指令所能够允许的范围内，一旦像素进入pipeline，程序员就失去了对它的控制。为了解决这一局面，可编程着色器诞生了。如图 1.12、图 1.13所示为固定pipeline和可编程pipeline渲染的球的对比。

   

   图 1.12 固定pipeline渲染的几种球

   

   图 1.13 可编程pipeline渲染下的球

7. 可编程着色器下的渲染流程

   

   图 1.14 可编程的渲染流程

   如图 1.14所示，可编程渲染流程与传统渲染流程不同的是，顶点着色器(Vertex Shader)和片元着色器(Fragment Shader)是可编程的。片段着色器在有的图形API中叫做像素着色器(Pixel Shader)。顶点着色器主要负责顶点的几何关系运算，像素着色器主要负责像素颜色计算等。

8. 着色器语言

   着色器是用来实现图像渲染的，用来代替固定pipeline的一段可编辑程序。Vertex Shader和Fragment Shader是完全分离的两组程序，它们在GPU中拥有不同的寄存器要求，不同的指令格式以及不同的运算器要求。Vertex Shader程序可以被GPU中的可编程顶点处理单元(Programmable Vertex Processor)处理，同样，Fragment Shader程序可以被GPU中的可编程片元处理单元(Programmable Fragment Processor)处理。

   Vertex Shader程序和Fragment Shader程序都是着色程序(Shader Program)。用来编写着色程序的语言就被称为着色器语言(Shader Language)。目前主流的着色器语言有三种：基于OpenGL的GLSL(OpenGL Shading Language)，基于Direct3D的HLSL(High Level Shading Language)，还有Nvidia的Cg(C for Graphic)语言。

9. 统一着色器架构(Unfied Shader Architecture)

   在传统的硬件中，GPU厂商使用固定比例的Vertex Shader单元和Fragment Shader单元，比如经典的1:3黄金渲染架构，即Vertex Shader单元和Fragment Shader单元比例为1:3。这种固定比例的做法有时会导致严重的单元利用率低问题。比如一段着色程序中仅包含10%的Vertex Shader指令，剩下的90%都是Fragment Shader指令，那么当Fragment Shader单元在全力运行的时候Vertex Shader是处于空闲的状态，反之亦然。而一段实际的着色程序不可能完全按照硬件的的Shader比例来做到指令密度的平均优化。如图 1.15所示，上部分表示顶点着色单元满负荷运行像素着色单元空闲的情况，下部分正好相反。

   

   图 1.15 Shader负载不均衡

   为了解决这种情况，统一着色架构诞生了，统一架构将传统的Vertex Shader和Fragment Shader从软件和硬件层面上予以统一。着色程序内部不再需要严格按照格式区分Vertex/Pixel。硬件上Shader单元也从过去的分离式固定功能变成了更加强大完整且统一的通用ALU。如图 1.16、图 1.17

   

   图 1.16 分离着色架构

   

   图 1.17 统一着色架构

    

    

10. IMX6Q基于OpenGL ES下的渲染流程

11. OpenGL ES渲染流程

    OpenGL ES 1.x版本是传统的固定pipeline渲染，而2.x版本往后是可编程着色pipeline渲染，如图 2.1、图 2.2所示。

    

    图 2.1 OpenGL ES 1.x渲染流程

    

    图 2.2 OpenGL ES 2.x渲染流程

     

12. 基于OpenGL ES2下的IMX6Q GPU工作流程

    如图 2.3所示，为imx6q中gpu在opengl es2下的渲染流程。

    

    图 2.3 IMX6Q GPU工作流程