前向渲染与延迟渲染

发表于 2024/10/19

作者 Wang Simiao

9 分钟阅读

前向渲染与延迟渲染

要知道前向渲染与延迟渲染的概念和区别, 先要搞清楚渲染管线的基本概念

渲染管线

1. 世界矩阵 World Matrix

已知一个物体的正向(Foreward)方向, 上向(Up)方向, 右向(Right)方向和位置(Position), 我们可以通过这三个方向和一个坐标构建一个世界矩阵(World Matrix)

\[\begin{bmatrix} Foreward.x & Foreward.y & Foreward.z & 0 \\ Up.x & Up.y & Up.z & 0 \\ Right.x & Right.y & Right.z & 0 \\ Position.x & Position.y & Position.z & 1 \end{bmatrix}\]

在3D图形学中: 表示方向的齐次位置是0, 表示位置的齐次位置是1

方向向量不具有空间中的绝对位置, 只表示方向, 因此不参与平移变换, 通过将齐次坐标的最后一位设为0, 确保在矩阵乘法中不会受到平移部分的影响
位置向量代表的是空间中的一个点。通过将齐次坐标的最后一位设为1，确保该点能够被平移

作用: 世界矩阵可以将物体从模型空间(Model Space)变换到世界空间(World Space)

2. 透视投影矩阵 Perspective Projection Matrix

作用: 把视锥体映射到单位立方体(即 -1 到 1 的立方体), 再映射到屏幕空间

步骤

在近平面上的点 z_near, 它们的 x,y 坐标几乎不变, 其他平面上的点 x 和 y 坐标会随着距离的增加（z 变远）而线性缩小: 类似将视锥体压成一个长方体
变换z坐标，映射到 [-1, 1] 范围内，用于深度缓冲的计算: 类似将长方体压缩成一个立方体

转换形式

对点(x, y, z, 1)进行透视投影变换, 得到(x’, y’, z’, w’)
齐次坐标归一化: (x’/w’, y’/w’, z’/w’)

3. 渲染管线

顶点输入: 将几何数据输入 (可编程)顶点着色器: 将几何数据进行顶点处理(MVP变换等) 图元装配: 封装成点, 线, 三角形等图元 (可配置)几何着色器: 对图元进行二次处理(扩展多个三角形等) 光栅化: 将图元转换为像素(片元), 确定覆盖像素范围 (可编程)片元着色器: 计算颜色(blinn-phong等) 像素操作: 对像素进行混合, 测试等(深度测试, 丢弃被挡住的三角) 帧缓冲输出: 写入缓冲区, 交换链等

4. 如何将一个点渲染到屏幕上

将一个点通过World Matrix变换到世界空间, 再通过View Matrix变换到相机空间, 再通过Projection Matrix变换到裁剪空间, 最后通过Viewport变换到屏幕空间

以上变换之后, 经过图元装配, 光栅化, 片元着色器等步骤, 最终将一个点渲染到屏幕上, 渲染出的一帧画面会被输出到一个Buffer(帧缓冲区)中, 之后再输出到屏幕上

5. 如何渲染纹理

Mipmap: 为了解决纹理贴图时的锯齿或摩尔纹问题, 采用Mipmap技术, 生成一系列不同分辨率的纹理, 在渲染时根据纹理与屏幕的距离选择合适的Mipmap纹理

6. 如何处理光照

光线向物体表面发射, 通过blinn-phong模型或lambert模型等计算光照, 通过光照计算得到的颜色值, 与纹理颜色值进行混合, 最终得到物体表面的颜色