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)和片元处理阶段(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。