可编程渲染管线(Scriptable Render Pipeline, SRP)

可编程渲染管线处理数据的流程可分为以下3大阶段

1. 应用阶段

这个阶段大概会由CPU处理4件事情。首先会对模型数据进行可见性判断。模型数据由顶点位置、法线方向、顶点颜色、纹理坐标等构成。然后会将模型数据加载到显存以提高读取速度。再为每个图元设置常数寄存器和渲染状态。最后为一个渲染图元列表调用DrawCall指令。

图元可以是点、线、三角形。

2. 几何阶段

这个阶段由GPU进行处理，会对每一个需要渲染的图元进行逐顶点、逐多边形处理，最根本的任务是将顶点的模型坐标转换到屏幕空间。

2.1 顶点着色器

顶点着色器的基本任务是将顶点转换到齐次裁剪空间，还可以进行的其他任务有：

• 逐顶点着色操作，如逐顶点光照
• 纹理计算
• 逐顶点蒙皮
• 逐顶点程序式动画(procedural animation)

2.1.1 投影变换

\[Aspect=\frac{近裁剪平面宽度}{近裁剪平面高度}=\frac{远裁剪平面宽度}{远裁剪平面高度}\]

透视投影

在摄像机使用透视投影的时候，为了呈现出近大远小的透视收缩(perspective foreshortening)效果，需要对顶点进行透视投影变换。使用透视投影矩阵进行变换后，并没有进行裁剪，只是使得w值有了意义，为后面的裁剪做准备。

\(透视投影近裁剪平面高度=2 \cdot Near \cdot tan\frac{FOV}{2}\)

\(透视投影远裁剪平面高度=2 \cdot Far \cdot tan\frac{FOV}{2}\)

Unity透视投影矩阵(右乘)

\[ \begin{vmatrix} \frac{cot\frac{FOV}{2}}{Aspect} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & cot\frac{FOV}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{Far+Near}{Far-Near} & -\frac{2 \cdot Near \cdot Far}{Far-Near} \\ 0 & 0 & -1 & 0 \end{vmatrix} \]

会改变空间手系，从右手系变成了左手系，因为Unity的观察空间是右手系，NDC空间是左手系

观察空间中的顶点(x,y,z)透视投影到齐次裁剪空间后变为

\[(x \cdot \frac{cot\frac{FOV}{2}}{Aspect}, y \cdot cot\frac{FOV}{2}, -z \cdot \frac{Far+Near}{Far-Near}-\frac{2 \cdot Near \cdot Far}{Far-Near}, -z)\]

透视投影齐次裁剪空间中坐标的w值为 \(-Z_{posInViewSpace}\)

变换情况

正交投影

\[正交投影远(近)裁剪平面高度=2 \cdot Size\]

Unity正交投影矩阵(右乘)

\[ \begin{vmatrix} \frac{1}{Aspect \cdot Size} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{Size} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{2}{Far-Near} & -\frac{Far+Near}{Far-Near} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{vmatrix} \]

会改变空间手系，从右手系变成了左手系，因为Unity的观察空间是右手系，NDC空间是左手系

观察空间种的顶点(x,y,z)正交投影到齐次裁剪空间后变为 \((\frac{x}{Aspect \cdot Size}, \frac{y}{Size}, -\frac{2z}{Far-Near}-\frac{Far+Near}{Far-Near}, 1)\)

正交投影齐次裁剪空间中坐标的w值为1

2.2 曲面细分着色器

用于细分图元

2.3 几何着色器

• 几何着色器的功能是修改、剔除、创建图元，可以实现以下效果：
  • 阴影体积拉伸(shadow volume extrusion)
  • 渲染立方体贴图(cube map)的6个面
  • 在网格的轮廓边拉伸毛发的鳍(fur in)
  • 从点数据生成例子四边形
  • 动态镶嵌
  • 把线段分形细分(fractal subdivision)以模拟闪电、布料
  • 将数据传到管线开头重新进入管线
    • 用例：在顶点着色器内对头发样条的控制点进行物理模拟，在几何着色器内把样条镶嵌成线段，通过流输出将线段传到管线开头重新进入管线进行渲染

2.4 裁剪

裁剪的作用是将每个三角形在平截头体以外的部分切掉，把在平截头体以外的三角形剔除。

满足以下条件的顶点才会被保留下来：

\[-w<=x<=w\] \[-w<=y<=w\] \[-w<=z<=w\]

2.5 齐次除法

所谓的齐次除法就是让x、y、z都除以w，这时就可以得到NDC空间中的坐标

透视投影的齐次除法

正交投影的齐次除法

上图右边都是OpenGL的NDC，DirectX的NDC也和上图右边类似，但z范围在[0,1]

2.6屏幕映射

视口空间：程序运行窗口构成的空间

屏幕空间：整个显示屏幕构成的空间

Unity中将NDC坐标转换为屏幕坐标的右乘矩阵

矩阵中的X、Y是视口空间原点的屏幕坐标

3. 光栅化阶段

这个阶段由GPU来决定绘制哪些片元以及这些片元的颜色

片元=片段：三角形被栅格化后，其中的每一个小方块都是一个片元，可以看成是还不确定最终是否可以呈现到屏幕上的像素

3.1 三角形设置

这个阶段的任务是找出三角形边界所覆盖的像素

3.2 三角形遍历

这个阶段会对每个三角形进行栅格化，即找出每个三角形覆盖的像素区域。区域中的片元中信息（屏幕坐标、深度值、法线坐标、纹理坐标）由3个顶点数据进行插值(必要时会采用透视校正插值)得到

3.3 提前深度测试

如果用户没有在片元着色器中改变深度或自我丢弃(discard)，显卡会自动开启该功能

3.4 片元着色器

用于执行逐像素着色操作，如纹理采样、多重纹理采样、逐像素光照

3.5 逐片元操作

3.5.1 模板测试

if 开启了模板测试 then
    比较参考值(使用读取掩码)和模板缓冲区中的模板值(使用读取掩码)
    if not 通过模板测试 then
        舍弃该片元
    end
    根据已设置的渲染状态更新模板缓冲区中的值(使用写入掩码)
end

3.5.2 深度测试

if 开启了深度测试 then
    比较该片元的深度值和深度缓冲区中的深度值
    if 通过了深度测试 then
        if 开启了深度写入 then
            将深度值写入深度缓冲区
        end
    else
        舍弃该片元
    end
else
    if 开启了深度写入 then
        将深度值写入深度缓冲区
    end
end

3.5.3 混合

if 开启了混合 then
    用alpha混合函数(alpha blending function)将该片元的颜色值和颜色缓冲区中的颜色值进行混合
else
    直接使用该片元的颜色值
end
更新颜色缓冲区中的颜色值