GPU渲染管线：顶点处理、光照与变换大揭秘

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2024-03-12 17:02:37

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GPU渲染管线是计算机图形学中至关重要的概念，它定义了图像从3D模型到屏幕像素的渲染过程。本文将带领你深入了解渲染管线的顶点处理阶段，重点关注顶点坐标变换、光照计算和屏幕映射。

顶点处理阶段的奥秘

顶点处理阶段是渲染管线的首要步骤，负责处理顶点坐标和相关属性。它包括以下关键步骤：

坐标变换

在这个步骤中，3D模型中的顶点坐标经过一系列变换，从模型空间转换到世界空间、观察空间和裁剪空间。这些变换用于定位和调整顶点在场景中的位置和方向。

光照计算

顶点处理阶段还会执行光照计算。光照决定了物体如何与光源交互，并影响着物体的外观。它考虑了光源位置、光照强度和材料属性等因素。

屏幕映射

屏幕映射将顶点从裁剪空间映射到屏幕空间。这一步至关重要，因为它确定了顶点在屏幕上显示的位置。屏幕映射过程包括裁剪和投影，确保只渲染可见的顶点。

与几何阶段的联动

顶点处理阶段与渲染管线的几何阶段密切相关。几何阶段负责生成曲面、线段和点等图元。它使用顶点处理阶段提供的顶点坐标和属性来创建这些图元。

技术指南

变换三维顶点坐标：

void TransformVertex(Vertex& vertex) {
    // 将模型空间坐标变换到世界空间
    vertex.position = modelMatrix * vertex.position;
    // 将世界空间坐标变换到观察空间
    vertex.position = viewMatrix * vertex.position;
    // 将观察空间坐标变换到裁剪空间
    vertex.position = projectionMatrix * vertex.position;
}

光照计算：

void CalculateLighting(Vertex& vertex) {
    // 计算光源方向
    Vector3 lightDirection = normalize(lightPosition - vertex.position);
    // 计算漫反射强度
    vertex.color += diffuseColor * max(0.0f, dot(vertex.normal, lightDirection));
}

屏幕映射：

void ScreenMapVertex(Vertex& vertex) {
    // 裁剪顶点
    if (vertex.position.z < 0.0f || vertex.position.z > 1.0f) {
        vertex.visible = false;
        return;
    }
    // 投影顶点
    vertex.position = vertex.position / vertex.position.w;
    // 屏幕映射顶点
    vertex.position.x = (vertex.position.x + 1.0f) * 0.5f * screenWidth;
    vertex.position.y = (vertex.position.y + 1.0f) * 0.5f * screenHeight;
}