渲染管线
什么是渲染管线?
渲染管线，也被称为图形管线，是一个用于生成2D图像（如屏幕上的图像）的硬件或软件实现的概念模型。这个过程通常基于3D场景的数据，包括但不限于几何、视点、纹理、光照信息等。
渲染管线通常可以分为几个阶段，每个阶段都有特定的任务。以下是一个典型的3D渲染管线的阶段：
- 模型变换：在这个阶段，原始的3D模型坐标会被转换到世界坐标系中。
- 视图变换：在这个阶段，世界坐标系中的模型会被转换到相机视图坐标系中。
- 投影变换：在这个阶段，视图坐标系中的模型会被投影到一个2D的裁剪空间中。
- 裁剪：在这个阶段，裁剪空间中的模型会被裁剪，以移除那些不在视野内的部分。
- 光栅化：在这个阶段，裁剪后的模型会被转换成像素的形式，以便在屏幕上显示。
- 片元处理：在这个阶段，每个像素会被赋予颜色和深度。这通常涉及到纹理映射、光照计算等操作。
- 混合和测试：在这个阶段，会进行深度测试、模板测试和颜色混合等操作，以确定最终的像素颜色。
这个过程可以在CPU上通过软件实现，也可以在GPU上通过硬件实现。在现代的图形API（如OpenGL和DirectX）中，这个过程通常是在GPU上实现的，以利用GPU的并行处理能力。
而之所以叫管线，其实是流水线的意思。
即每一个上述的任务都是同步进行的，像流水线一样，每个步骤都是一直在进行，上游任务准备好就给下游任务，分放任务到下游的同时，不代表完成，而是又有了新的任务进来。
渲染流程的三个阶段是什么
如果按照CPU和GPU的配合来看，渲染流程又可以看成是三个阶段。
在3D图形渲染流程中，通常可以将整个过程分为三个主要阶段：应用阶段、几何阶段和光栅化阶段。
- 应用阶段：这个阶段主要在CPU上执行，包括场景管理、动画、物理模拟、AI计算等任务。这个阶段的目标是准备好所有需要渲染的数据，并将这些数据以渲染命令的形式发送给GPU。
- 几何阶段：这个阶段主要在GPU上执行，包括模型变换、视图变换、投影变换和裁剪等任务。这个阶段的目标是将3D模型转换为2D图像，并进行裁剪以移除不在视野内的部分。
- 光栅化阶段：这个阶段也在GPU上执行，包括光栅化、片元处理和混合测试等任务。这个阶段的目标是将2D图像转换为像素，并赋予每个像素颜色和深度。
这三个阶段是串行的，每个阶段的输出都是下一个阶段的输入。但在每个阶段内部，许多任务可以并行执行，以提高渲染效率。
渲染中，cpu和gpu是如何并行工作的
在渲染过程中，CPU和GPU的并行工作主要体现在以下几个方面：
- 场景准备：CPU负责准备渲染所需的数据，包括3D模型、纹理、光照信息等。这些数据被组织成一种称为渲染命令的形式，然后发送给GPU。
- 渲染命令处理：GPU接收到渲染命令后，开始执行渲染管线中的各个阶段。这包括模型变换、视图变换、投影变换、裁剪、光栅化、片元处理和混合测试等。
- 异步执行：在现代的图形API（如DirectX 12和Vulkan）中，CPU可以在GPU还在处理一个渲染命令的同时，继续准备下一个渲染命令。这样，CPU和GPU可以并行工作，提高整体的渲染效率。
- 缓冲区交换：当GPU完成一帧的渲染后，它会将结果写入一个叫做后缓冲区的内存区域。然后，CPU会指示显示器从后缓冲区读取数据，并将其显示在屏幕上。同时，CPU会开始准备下一帧的渲染命令。
总的来说，CPU和GPU在渲染过程中的并行工作，主要是通过异步执行和缓冲区交换来实现的。这样可以充分利用CPU和GPU的计算能力，提高渲染的效率。
CPU处理–应用阶段
在3D图形渲染流程中，CPU处理的应用阶段主要负责以下任务：
- 场景管理：确定哪些对象需要被渲染，哪些对象可以被剔除（例如，不在摄像机视野内的对象）。
- 动画处理：计算动画对象的新位置和方向。
- 物理模拟：计算物理效果，如碰撞、重力和流体动力学。
- AI计算：计算AI的决策，如角色的移动和行为。
- 设置渲染状态：设置渲染参数，如光照参数、纹理参数等。
- 提交渲染命令：将渲染命令和数据发送给GPU。
这个阶段的任务通常在CPU上进行，因为它们涉及到大量的逻辑判断和复杂的计算，这些是CPU擅长的任务。然后，CPU会将渲染命令和数据发送给GPU，GPU会执行实际的渲染任务。
如果从偏硬件层次一点的角度来理解，可以分为三个阶段
这段文本描述的是3D图形渲染流程中的一部分，从硬件层面来看，可以进一步解释如下：
- 把数据加载到显存（GPU的内存）：这个阶段主要是将需要渲染的数据，如顶点数据、纹理数据等，从CPU的内存复制到GPU的内存（显存）。这是因为GPU直接从显存中读取数据，这样可以大大提高数据读取的速度。
- 设置渲染状态：渲染状态定义了如何进行渲染，包括混合模式、深度测试、模板测试、光栅化模式等。这些状态会影响到渲染的结果。在这个阶段，CPU会设置这些状态，并将它们发送给GPU。
- 提交渲染命令（调用Draw Call）：Draw Call是CPU告诉GPU开始渲染的命令。在这个阶段，CPU会发送Draw Call给GPU，GPU会根据前两个阶段准备的数据和状态，开始执行渲染管线，生成最终的图像。
这三个阶段是3D图形渲染流程中的一部分，它们主要涉及到CPU和GPU之间的交互。在这三个阶段之后，GPU会开始执行渲染管线，包括几何阶段和光栅化阶段，生成最终的图像。
GPU处理–几何阶段
在GPU的渲染管线中，几何阶段是一个非常重要的阶段。在这个阶段，GPU会对输入的顶点数据进行一系列的处理，包括以下几个步骤：
- 顶点着色（Vertex Shading）：在这个步骤中，GPU会执行顶点着色器，对每个顶点进行处理。顶点着色器是一个可以编程的函数，它可以对顶点数据进行各种操作，如变换顶点的位置、计算顶点的颜色等。
- 图元装配（Primitive Assembly）：在这个步骤中，GPU会把处理过的顶点组装成图元，如点、线、三角形等。这些图元是渲染的基本单位。
- 几何着色（Geometry Shading）：这是一个可选的步骤，如果启用了几何着色器，GPU会在这个步骤中执行几何着色器。几何着色器可以对图元进行处理，如生成新的图元、改变图元的形状等。
- 裁剪（Clipping）：在这个步骤中，GPU会裁剪掉不在视野范围内的图元，只保留在视野范围内的图元。这可以减少后续步骤的计算量。
- 屏幕映射（Screen Mapping）：在这个步骤中，GPU会把裁剪后的图元映射到屏幕空间。这是一个从3D空间到2D空间的转换过程。
完成这些步骤后，几何阶段的输出会被送入下一个阶段，即光栅化阶段。在光栅化阶段，GPU会把图元转换成像素，然后执行像素着色器，计算每个像素的颜色。
顶点着色
顶点着色是GPU渲染管线中的一个步骤，它发生在几何阶段的开始。在这个步骤中，GPU会执行一个叫做顶点着色器的程序，对每个输入的顶点进行处理。
顶点着色器是一个可以编程的函数，它接收一个顶点作为输入，输出一个处理过的顶点。顶点着色器可以对顶点数据进行各种操作，例如：
- 变换顶点的位置：这通常涉及到将顶点的位置从模型空间变换到世界空间、视图空间或投影空间。这些变换通常通过矩阵乘法来实现。
- 计算顶点的颜色：顶点着色器可以根据顶点的属性（如位置、法线等）和光照条件来计算顶点的颜色。
- 计算纹理坐标：如果模型使用了纹理映射，顶点着色器可以计算出每个顶点在纹理图像上的位置。
- 计算其他顶点属性：除了位置、颜色和纹理坐标，顶点着色器还可以计算其他的顶点属性，如法线、切线等。
顶点着色器的输出会被送入下一个步骤，即图元装配。在图元装配步骤中，GPU会把处理过的顶点组装成图元，如点、线、三角形等。这些图元是渲染的基本单位，它们会被送入后续的渲染步骤，如几何着色、裁剪、光栅化等。
图元装配
图元装配（Primitive Assembly）是GPU渲染管线中的一个步骤，它发生在顶点着色之后，几何着色之前。
在图元装配阶段，GPU会将处理过的顶点组装成图元。图元是构成3D模型的基本元素，常见的图元包括点（Point）、线（Line）和三角形（Triangle）。
例如，如果我们正在渲染一个三角形，那么在图元装配阶段，GPU会把这个三角形的三个顶点组装成一个三角形图元。这个三角形图元会被送入后续的渲染步骤，如几何着色、裁剪、光栅化等。
图元装配是3D图形渲染的一个重要步骤，它决定了我们看到的3D模型的形状。通过改变图元的大小和排列，我们可以创建出各种复杂的3D形状。
几何着色
裁剪
裁剪（Clipping）是GPU渲染管线中的一个步骤，它发生在几何阶段的结束。在这个步骤中，GPU会裁剪掉不在视野范围内的图元，只保留在视野范围内的图元。这可以减少后续步骤的计算量，提高渲染效率。裁剪通常是在投影空间进行的，它会保证只有在视野范围内的图元会被渲染。
屏幕映射
屏幕映射（Screen Mapping）是GPU渲染管线中的一个步骤，它发生在裁剪之后，光栅化之前。在这个步骤中，GPU会把裁剪后的图元映射到屏幕空间。这是一个从3D空间到2D空间的转换过程，它会将图元的坐标从投影空间变换到屏幕空间。这个步骤决定了图元在屏幕上的位置和大小。
GPU处理–光栅阶段
在GPU的渲染管线中，光栅化阶段是一个非常重要的步骤。在这个阶段，GPU会把图元（如点、线、三角形等）转换成像素。这个过程也被称为扫描转换（Scan Conversion）。
光栅化阶段的主要任务包括：
生成片元：片元（Fragment）是像素的一个候选者，每个片元包含一个像素的所有信息，如位置、颜色、深度等。在光栅化阶段，GPU会为每个像素生成一个或多个片元。
插值：在生成片元的过程中，GPU会对图元的属性进行插值。例如，如果我们正在渲染一个三角形，那么GPU会根据三角形的三个顶点的颜色，计算出每个像素的颜色。
深度测试：在生成片元后，GPU会进行深度测试，决定哪些片元应该被绘制到屏幕上。深度测试可以防止被遮挡的图元覆盖前面的图元。
完成光栅化阶段后，生成的片元会被送入下一个阶段，即片元着色阶段。在片元着色阶段，GPU会执行片元着色器，计算每个片元的最终颜色。
问题
为什么gpu要有自己的内存，即显存？
GPU需要有自己的内存，即显存，主要有以下几个原因：
- 高带宽：显存通常使用高带宽的内存技术，如GDDR或HBM，这些内存技术提供的带宽远高于常规的DDR内存。当我们说显存（GPU的内存）具有”高带宽”，我们是指显存能够在单位时间内传输大量的数据。这对于GPU来说非常重要，因为GPU在渲染过程中需要处理大量的数据，如顶点数据、纹理数据等。
- 并行处理：GPU是一个高度并行的处理器，它可以同时处理大量的数据。为了支持这种并行处理，GPU需要能够同时访问大量的数据，这就需要有足够大的内存。
- 减少CPU和GPU之间的数据传输：如果GPU没有自己的内存，那么它需要从CPU的内存中读取数据。这会增加CPU和GPU之间的数据传输，降低渲染效率。有了自己的内存，GPU可以直接从显存中读取数据，无需通过CPU，从而提高渲染效率。
- 独立运行：有了自己的内存，GPU可以在执行渲染任务时独立于CPU运行，不受CPU的内存使用情况的影响。
因此，为了提高渲染效率和支持并行处理，GPU需要有自己的内存，即显存。
cpu和gpu的区别是什么？
CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）都是计算机的重要组成部分，但它们在设计和功能上有一些重要的区别：
- 设计目标：CPU设计用于处理各种类型的计算任务，包括运行操作系统、执行应用程序代码等。它是一个通用的处理器，可以处理各种类型的数据和指令。而GPU最初是为了加速图形渲染而设计的，它是一个专用的处理器，擅长处理大量的并行数据。
- 架构：CPU通常只有几个核心，但每个核心都非常强大，可以处理复杂的指令和逻辑。而GPU有成百上千个小核心，每个核心都不如CPU核心强大，但由于数量众多，所以在处理大量并行数据时，GPU的性能远超CPU。
- 内存：CPU使用系统内存（RAM），而GPU使用自己的内存（显存）。显存通常使用高带宽的内存技术，如GDDR或HBM，这些内存技术提供的带宽远高于常规的DDR内存。
- 用途：CPU用于运行大部分的应用程序，包括操作系统、办公软件、浏览器等。而GPU主要用于图形渲染，如3D游戏、专业图形应用等。但现在，GPU也越来越多地用于非图形的计算任务，如科学计算、机器学习等，这被称为GPGPU（通用图形处理器计算）。
总的来说，CPU和GPU在设计和功能上有各自的优势，它们在计算机系统中共同工作，提供强大的计算能力。
简单来说，cpu适合处理串行任务，而gpu适合处理并行任务。
例如，显示的时候，每个像素点都是独立计算的，不是说像素点之间彼此依赖的，所以显示任务是更适合通过gpu去运算的。
顶点数据是什么？
顶点数据是3D图形渲染中的基本元素，它描述了3D物体的形状和其他属性。一个顶点通常包含以下信息：
- 位置：顶点在3D空间中的坐标，通常用一个三维向量（x, y, z）来表示。
- 颜色：顶点的颜色，通常用一个四维向量（r, g, b, a）来表示，其中r、g、b分别代表红、绿、蓝三种颜色的强度，a代表透明度。
- 纹理坐标：顶点在纹理图像上的位置，通常用一个二维向量（u, v）来表示。
- 法线：顶点的法线，用于光照计算。法线是一个三维向量，表示顶点表面的方向。
在3D图形渲染中，我们通常使用一组顶点数据来定义一个3D物体。例如，一个三角形需要三个顶点，一个立方体需要八个顶点。这些顶点数据会被发送到GPU，GPU会根据这些数据进行渲染，生成最终的图像。
怎么理解纹理坐标
纹理坐标，也被称为UV坐标，是用来定义3D模型表面上每个顶点如何映射到2D纹理图像的。它是一个二维坐标，通常用(u, v)来表示。
在3D模型的每个顶点上，都会定义一个对应的纹理坐标。当我们把2D纹理应用到3D模型上时，纹理坐标就决定了每个顶点对应到纹理图像上的哪个位置。
例如，纹理坐标(0, 0)通常对应到纹理图像的左下角，(1, 1)对应到纹理图像的右上角。如果一个顶点的纹理坐标是(0.5, 0.5)，那么它就对应到纹理图像的中心位置。
通过这种方式，我们可以把2D纹理图像映射到3D模型的表面，从而给模型添加详细的表面纹理，如皮肤、毛发、布料等。这是3D图形渲染中的一个重要步骤，可以大大提高渲染的真实感。
怎么理解法线
在3D图形中，”法线”是一个向量，它表示3D模型表面在某一点的方向。法线通常用于光照计算，以确定模型表面如何反射或吸收光线。
法线通常是垂直于模型表面的。例如，如果你有一个平面，那么这个平面的法线就是垂直于这个平面的向量。在一个曲面上，每一点的法线都可能不同，因为曲面在不同的地方有不同的方向。
在3D模型的每个顶点上，都会定义一个法线。当我们进行光照计算时，会使用这些法线来确定光线如何影响模型的颜色。例如，如果法线与光线的方向相同，那么这个地方就会被照亮；如果法线与光线的方向相反，那么这个地方就会在阴影中。
通过使用法线，我们可以在3D模型上创建出复杂的光照和阴影效果，从而提高渲染的真实感。
图元数据是什么？
在计算机图形学中，图元（Primitive）是构成3D模型的基本元素。常见的图元包括点（Point）、线（Line）和三角形（Triangle）。图元数据就是描述这些基本元素的数据。
例如，一个三角形图元的数据通常包括三个顶点的数据，每个顶点的数据包括位置、颜色、纹理坐标和法线等信息。这些数据会被送入图形渲染管线，经过一系列的处理（如顶点处理、光栅化、片元处理等），最终生成图像。
在实际的3D图形渲染中，三角形是最常用的图元，因为任何3D模型都可以由三角形组成。通过改变三角形的大小和排列，我们可以创建出各种复杂的3D形状。