计算机图形学

图形绘制体系结构

一个分工明确的“流水线”

绘制流水线体系

GPU内部对数据的处理流程

• 根据应用程序生成对象的顺序依次处理，可考虑局部光照效果
• 所有的过程处理均在图形计算硬件上实现

绘制流水线体系

流水线流程

① 顶点输入: “原材料”进场 (顶点数据)

↓

② 顶点着色器 (Vertex Shader): 可编程 - 决定顶点在哪

↓

③ 光栅化 (Rasterization): 固定功能 - 决定覆盖哪些像素

↓

④ 片元着色器 (Fragment Shader): 可编程 - 决定像素是什么颜色

↓

⑤ 帧缓冲操作: 最后处理，写入显存

我们通过OpenGL API，主要就是为了控制这两个可编程阶段。

绘制流水线体系

顶点处理

• 流水线的工作之一是将物体的表示从一个坐标系统变换到另一坐标系统，涉及坐标系包括对象坐标系、相机坐标系、屏幕坐标系等
• 每个坐标系变换等价于矩阵变换
• 顶点处理还负责计算顶点的颜色

绘制流水线体系

顶点处理

• 投影的过程，即是通过三维观察，将三维物体对象投射到图形学编程平面上形成二维图像的过程
• 透视投影，所有的投影线会聚于投影中心
• 平行投影，所有的投影线平行，投影中心位于无穷远处，有投影方向

绘制流水线体系

顶点处理

• 在进行裁剪之前，需要将所有的顶点组装成几何形体，包含线段、多边形、曲线和曲面
• 与真实的相机类似，虚拟相机也只能"看见"部分场景，即只保留在相机空间中可见的物体对象，将位于相机空间以外的所有对象去除掉

绘制流水线体系

光栅化

• 如果对象没有被裁剪，需要为在帧缓存中与该物体对应的像素指定颜色
• 光栅化会为每个对象生成一系列的片元(Fragments)，可理解为潜在的“像素”
• 每个片元，在缓存中包含的属性有，位置，颜色和深度属性等
• 在光栅化过程中，对象顶点的属性通过插值计算得到

绘制流水线体系

片元处理

• 片元处理的目的是确定在帧缓存中对应的像素的颜色，颜色值可以是纹理映射的结果，也可以是对顶点颜色进行插值计算得到的结果
• 片元也会被其它距离相机更近的片元遮挡，对应像素的颜色取决于离相机更近的片元的颜色，称为“隐面消除算法”

编程接口

概述

• 从应用程序开发者角度看，图形系统是通过一系列软件接口实现的，即应用程序开发者接口(Application Programmer Interface. API)
• API提供了对图形学编程各阶段功能的支持，包括对象描述、观察者、光源、材质等，除此之外，还可提供对输入设备、其他系统功能的支持

编程接口

对象描述

• 构成对象的基本元素包括：
• 点 (0D)
• 线 (1D)
• 多边形 (2D)
• 部分曲线和曲面，如二次曲线、参数多项式曲线、贝塞尔曲线等
• 所有的基本元素由空间中的位置坐标或顶点定义

编程接口

对象描述示例

                            
//定义对象类型
glBegin(GL_POLYGON);
//定义顶点坐标位置
glVertex3f(0.0f, 0.0f, 0.0f);
glVertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glVertex3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);
glEnd();//结束定义
                            
                        

                            
var points = new Float32Array([
0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 1.0f
]);
                            
                        

编程接口

相机描述

课程总结

• 理解了 CPU, API, GPU 构成的三层体系结构。
• 深入了GPU内部，了解了其 流水线体系。