说到图形学，相信肯定很多人都一头雾水。但如今电子设备如此发达，图形渲染已经渗透到我们生活中的方方面面，比如电影、游戏、 甚至是我们平时看的各种视频媒体，其中都涉及到了图形学的相关知识。
现在，我们就从游戏的角度出发，一探游戏领域图形学原理吧！
关于图形学，必不可少的就是渲染流水线。我们在手机电脑等设备上看到的游戏、电影等画面，都是从一个三维场景出发经过了一整套流程，生成了一张二维图像呈现在我们面前。
也就是说，计算机在这个过程中把一系列的顶点数据、纹理等信息不断传输转化，最终变成一张人眼可以看到的图像，而这一个过程，就被称之为——渲染管线。
什么是渲染管线？
渲染管线，英文是 Rendering Pipeline，有时也被译作“渲染流水线”，有时也说成“图形管线”（Graphics Pipeline）。
“管线”这个词也等同于“流水线”，日常生活中一般说起“流水线”，指 的都是工业领域的“流水线”，比如各种电子厂的流水线，用于生产各种电子产品，电子产品的生产被划分为多个不同的阶段或者说步骤，允许不同的工种专注于他所负责的操作内容，比如常常听到的“打螺丝”。
同样的，这样流水线的概念也被应用于计算机图形学领域。
渲染管线是计算机图形系统将 3D 场景转化为可在屏幕上显示的 2D 图像的一系列步骤。
你可以把渲染管线想象成一条用于图像生产的流水线，或者说“生产线”（Assembly Line）：流水线中的每个阶段都执行特定的任务，处理上一阶段的数据并将其传递给下一阶段。
这样就能实现高效的并行处理，这对于实时渲染复杂场景来说超级重要。
虽然具体细节会因图形 API（如 OpenGL、DirectX 或 Vulkan）或游戏引擎（如 Unity 或虚幻引擎）而异，但渲染管道的核心阶段通常是一致的。
电子厂生产电子产品，需要输入各种电子原材料，经过整个流水线处理输出电子产品。而渲染管线的输入就是各种顶点数据，输出就是渲染管线处理后的图像。
典型渲染管线的关键阶段如下：
输入装配器（Input Assembler）：从显存中读取顶点数据（如位置、颜色和纹理坐标），并将其装配成几何图元（点、线和三角形等最基础的几何图形）。
顶点着色器（Vertex Shader）：逐个处理每个顶点。它的主要工作是将顶点在虚拟世界中的 3D 位置转换为屏幕上的 2D 位置。它还可以操作其他顶点属性，如颜色或法线。
图元装配（Primitive Assembly）：根据输入数据连接顶点，形成完整的图元（三角形、线等）。
光栅化（Rasterization）：将几何图元转换为片元（也称为像素）。此阶段确定每个图元覆盖哪些像素，并为下一阶段准备数据。
片元着色器（Fragment Shader，或者称像素着色器 Pixel Shader）：处理每个片元以确定其最终颜色。在此阶段计算光照、纹理和其他表面属性。
输出合并器（Output Merger）：将片元着色器的输出与渲染目标（如颜色缓冲区、深度缓冲区或模板缓冲区）中的现有数据组合，以生成最终图像。混合、深度测试和模板测试都在此阶段进行。
其中某些阶段是可编程的，所谓“可编程”，就是指开发人员可以编写自定义代码（着色器）来控制图形硬件如何在该阶段处理数据。这样就可以高度灵活地控制渲染图像的最终外观。
输入装配器（IA）阶段
输入装配器（IA）阶段是渲染管线中几何数据的首个环节。它的主要功能是从内存缓冲区中收集原始顶点数据，并将其组织成基础几何图元，以便管线的其他部分能够理解和处理这些图元。可以把它看作是数据准备阶段。
输入装配器的输入数据通常包含顶点缓冲区，顶点缓冲区存储着 3D 模型中每个顶点的信息，比如顶点的位置、颜色、纹理坐标以及法向量。
在很多情况下，还会用到索引缓冲区。索引缓冲区包含一个索引列表，这些索引引用顶点缓冲区中的顶点，使你能够重复使用顶点数据，并高效地定义三角形或线等图元的连接关系。
除了装配图元外，输入装配器还能为数据附加系统生成的值，如顶点 ID、图元 ID 或实例 ID。这些值可用于后面着色器阶段的各种用途，如访问特定数据或执行每实例计算。
输入装配器阶段的输出是已装配图元的流（Stream）。什么意思呢？换句话说，这种输出并非场景中所有图元的单一、静态集合。相反，它是一个流，这意味着图元在被装配时会被依次处理。每个已装配的图元（一个点、一条线或一个三角形）会依次被发送到管线的下一阶段，该阶段通常是顶点着色器。
可以把它想象成工厂里的传送带。输入装配器位于传送带的起始端，它接收原材料（顶点数据）并组装成组件（图元）。然后，这些组件被放置在传送带上，接着传送到下一个工位进行进一步加工。
顶点着色器阶段
顶点着色器是渲染管线中位于输入装配器之后的下一个可编程阶段。它的主要工作是处理从输入装配器接收的每个顶点。该阶段会对图元流中的每个顶点执行一次操作。
顶点着色器的核心功能是将顶点的位置从其初始坐标空间（通常为之前提过的“局部空间” Local Space）转换到其他各种坐标空间，最终转换到“裁剪空间”（Clip Space）。这一转换过程对于确定每个顶点在最终 2D 图像中的位置至关重要。
顶点着色器一般会执行包含以下关键的变换和操作：
模型变换（Model Transformation）：将 3D 模型的顶点从其局部对象空间移动、旋转和缩放至场景的世界空间。
视图变换（View Transformation）：将顶点从世界空间转换到视图空间（或相机📷️|摄像机📹️空间 Camera Space），使观察者处于原点位置。
投影变换（Projection Transformation）：将顶点从视图空间转换到裁剪空间（标准化的立方体形状），为裁剪和透视除法做准备。
光照计算（Lighting Calculations）：执行逐顶点光照计算，确定光线与每个顶点处表面的相互作用方式。
纹理坐标操作（Texture Coordinate Manipulation）：调整纹理坐标，以确定纹理如何映射到 3D 模型上。
顶点着色器接收每个顶点的多种输入数据，包括顶点的位置、法向量、纹理坐标，以及顶点缓冲区中可能定义的其他属性。然后，它输出一组新的顶点属性，包括（裁剪空间中的）变换后位置，以及将沿管线传递的任何修改后的属性（如颜色或纹理坐标）。
顶点着色器的输出是带有已更新属性的变换后顶点流，随后会传递到下一阶段——图元装配阶段。
图元装配阶段
图元装配阶段接收经过顶点着色器变换的顶点，并将它们组合成完整的几何图元。 虽然输入装配器最初读取原始顶点数据并定义预期的图元拓扑，但图元装配阶段才是将这些处于不同坐标空间（裁剪空间）中的顶点实际连接起来，形成上述图元的地方。
该阶段在管线中通常被视为固定功能阶段，这意味着其操作通常是硬连接到图形硬件中的，而非像着色器阶段那样可完全编程。
图元装配的主要任务如下：
连接顶点（Connecting Vertices）：根据输入数据中指定的图元拓扑，将变换后的顶点连接起来，形成完整的点、线或三角形。
裁剪（Clipping）：对部分或完全位于可见区域（由裁剪空间定义）之外的图元进行裁剪，舍弃图元中不会在屏幕上显示的部分。
剔除（Culling）：基于诸如背面剔除等准则，舍弃某些图元（比如移除背向观察者的三角形），以提升性能。
视口变换（Viewport Transformation）：将图元的坐标从裁剪空间变换到屏幕空间（或窗口空间），把3D场景映射到渲染目标的2D区域上。
图元装配至关重要，因为它将经过变换的单个顶点组织成将要绘制的实际形状。如果没有这个阶段，管线就只会有一堆点，无法形成构成3D对象的线和三角形。
图元装配阶段的输出是已装配且可能经过裁剪和剔除的图元流，其顶点现在处于屏幕空间。然后，该流会被传递到下一个关键阶段：光栅化。
然而，一些较旧或不同的管线描述可能将图元装配视为一个概念上独立的、通常为固定功能的阶段，位于顶点着色器之后、光栅化之前。
在这种观点中，顶点着色器输出变换后的顶点，然后图元装配阶段接收这些变换后的顶点并将它们连接成图元。
光栅化阶段
光栅化阶段是将已装配并转换到屏幕空间的几何图元（点、线和三角形）转换为片元（Fragment）的过程。 这些片元本质上是图形硬件将要着色以生成最终图像的潜在像素。
换句话说，光栅化决定了屏幕上哪些像素被哪些图元覆盖。 例如，对于三角形，光栅化器会计算出哪些像素位于 2D 屏幕上三角形的边界内。
光栅化主要的操作如下：
扫描转换（Scan Conversion）：确定图元覆盖哪些像素的过程。对于三角形，涉及高效识别三角形边界内像素的算法。
属性插值（Interpolation of Attributes）：在确定像素覆盖范围时，光栅化器还会在图元上对顶点属性进行插值，包括对颜色、纹理坐标和法向量从顶点到每个被覆盖像素进行插值，插值后的数据会传递给片元着色器。
深度测试准备（Depth Testing Preparation）：为后续在输出合并阶段进行的深度测试准备数据，包括对每个像素的深度值进行插值。
剔除（延续）（Culling (continued)）：虽然一些剔除在图元装配阶段进行，但额外的剔除（如剪刀测试，即舍弃定义矩形外的像素，或模板测试准备）可在光栅化期间或之后进行。
光栅化是渲染管线中至关重要的一步，因为它架起了 3D 几何图形的矢量表示与计算机显示器基于像素的特性之间的桥梁。这是一个由图形硬件执行的高度优化的过程，旨在实现实时渲染性能。
光栅化会为片段着色器提供必要的数据（如用于光照计算的插值纹理坐标和法向量），但最终像素颜色的复杂计算则在片段着色器中进行。
光栅化阶段的输出是一组片元，每个片元对应屏幕上的一个潜在像素，并包含插值后的属性数据。这些片元随后会被传递到片元着色器进行进一步处理。
片元着色器阶段
片元着色器，通常也称为像素着色器，是渲染管线中最重要且最灵活的可编程阶段之一。它接收来自光栅化阶段的片段，并计算每个片元的最终颜色和深度值，这些片元最终可能成为屏幕上的可见像素。
每个片元对应一个潜在的像素，并包含来自覆盖它的图元顶点的插值数据。这些数据包括插值后的颜色、纹理坐标、法向量和深度值。
片元着色器决定了渲染场景的大部分视觉复杂性。
以下是片元着色器中执行的一些关键操作：
纹理采样（Texture Sampling）：利用插值后的纹理坐标从纹理中采样（查找）颜色，以此将图像和图案应用到 3D 模型表面。
光照计算（Lighting Calculations）：执行逐片元光照计算，确定光线与每个像素处表面的相互作用方式，与逐顶点光照相比，能产生更细致、更逼真的光照效果。
应用材质（Applying Materials）：利用材质中定义的属性（如基础颜色、粗糙度、金属度）去影响光线被表面反射或吸收的方式。
应用特效（Applying Effects）：实现各种视觉特效，如雾效、轮廓、后期处理特效（尽管部分后期处理可能在主管线之后进行）以及透明度效果。
片元着色器输出片元的最终颜色（通常为 RGBA 值--红、绿、蓝、Alpha）及其深度值。然后，这一输出将被传递到管线的最后阶段——输出合并器。
现在你可能会认为片元着色器决定在屏幕上绘制哪些像素，实际上对了一半。 片元确实是潜在的像素，并且会计算片元的颜色，但是片元着色器并不会决定在屏幕上绘制出来的像素是怎样的。
光栅化确定哪些像素被图元覆盖，从而生成片元着色器要处理的片元；
片元着色器计算这些片元的颜色和深度，而输出合并器则基于深度测试和混合测试，确定哪些片元实际对最终图像有贡献。
输出合并器（OM）阶段
输出合并器（OM）阶段是渲染管线的最后一步，所有经过处理的数据在此汇总，生成将显示在屏幕上的最终图像。它接收片元着色器输出的片元，并将其与渲染目标（如颜色缓冲区和深度/模板缓冲区）中已有的数据进行组合。
这一阶段会做出关于哪些片段实际可见以及如何混合其颜色的关键决策。它通常是一个固定功能阶段，不过某些方面（如混合操作）是可以配置的。
输出合并器的主要操作如下：
深度测试（Depth Testing）：将传入片元的深度值与深度缓冲区中对应像素位置存储的深度值进行比较。若传入片元更靠近观察者（若启用），则通过深度测试，有可能更新颜色和深度缓冲区；否则，该片元会被舍弃。
模板测试（Stencil Testing）：利用模板缓冲区，根据模板值和模板测试函数，决定像素是否被绘制。可用于遮罩、轮廓或创建反射等效果。
混合（Blending）：将传入片元的颜色与颜色缓冲区中已有的颜色进行组合。这对渲染透明对象以及创建抗锯齿等效果至关重要，有多种混合模式可用，如阿尔法混合、加法混合和乘法混合。
写入渲染目标（Writing to Render Targets）：如果片元通过了深度和模板测试，并且在应用混合（若启用）之后，输出合并器会将最终颜色写入颜色缓冲区，将深度值写入深度缓冲区。
输出合并器的主要作用是通过解决多个图元重叠时的潜在冲突，确定屏幕上每个像素的最终颜色。它确保较近的物体能正确遮挡较远的物体，且透明物体能被正确渲染。
输出合并器的最终输出是存储在颜色缓冲区中的完整 2D 图像，随后该图像通常会被呈现在显示设备上。
为什么说渲染管线很重要？
了解完整个流程，你可能会问：搞懂这些有什么用？
对普通玩家来说，知道渲染管线的原理，能更清楚 “游戏画质和性能的关系”—— 比如片元着色器越复杂（比如光线追踪、高分辨率纹理），画面越逼真，但对显卡的要求也越高；
对开发者来说，掌握管线的每个阶段，才能优化游戏性能（比如通过 “剔除” 减少不必要的计算），或者实现更炫酷的特效（比如自定义着色器做出 “卡通渲染”“水墨风格”）。
如今，随着显卡技术的升级，渲染管线也在不断进化 —— 从早期的 “固定功能管线”（只能按硬件预设处理），到现在的 “可编程”（开发者可以自由控制每个阶段），再到未来可能普及的 “光线追踪”（更真实的光影计算），游戏画面会越来越接近现实。
下次玩游戏时，不妨多留意画面里的细节：角色衣服的纹理、灯光在地面的投影、透明的雨滴效果 —— 这些都是渲染管线 “魔法” 的体现。
