6 图形管线概述

在计算机图形学领域，理解图形管线的概念是十分重要的。图形管线是将三维场景转换为二维图像的过程，它是现代图形应用程序的核心部分。从场景的模型建立到最终图像的渲染，这个过程中涉及多个关键步骤。本篇将深入探讨图形管线的主要组成部分以及它们如何协同工作，为后续的几何变换打下基础。

图形管线的基本结构

图形管线一般可以分为以下几个主要阶段：

1. **顶点处理(Vertex Processing)**：
   这一阶段主要负责对三维图形的每个顶点进行处理，包括变换和光照等。常见的顶点变换包括将三维坐标转换到摄像机视图坐标系中。

2. **图元组装(Primitive Assembly)**：
   在顶点处理完成后，管线会将顶点组织成图元（例如三角形或线段）。这一过程被称为图元组装。

3. **光栅化(Rasterization)**：
   光栅化将图元转换成屏幕上像素的过程。每个图元会被转换为它占据的屏幕空间像素，生成的像素颜色和深度值会在此阶段被确定。

4. **片段着色(Fragment Shading)**：
   在光栅化之后，管线会为每个片段（即光栅化后的像素）进行着色。片段着色阶段涉及到的技术包括纹理映射、光照计算等。

5. **输出合并(Output Merging)**：
   最后一步是将所有片段的颜色信息合并到帧缓冲中，生成最终的图像。这一步也会处理各种深度测试和混合等操作。

图形管线的工作流程

让我们以一个简单的三维场景为例，来看看图形管线是如何工作的。

示例

考虑一个简单的场景，其中有一个立方体和一个光源。我们的目标是将这个场景渲染成二维图像。

1. 顶点处理

在这个阶段，我们定义立方体的八个顶点，以及它们的法线，用于光照计算。下面是一个简化的顶点处理的代码示例（使用伪代码）：

void vertexShader(Vertex vertex) {
    // 模型变换
    Vertex viewSpace = modelViewMatrix * vertex.position;
    // 光照计算
    Color color = computeLighting(viewSpace.position, vertex.normal);
}

2. 图元组装

经过顶点处理后，顶点集合被送入图元组装阶段。在这里，我们将这些顶点组装成立方体的六个面（每个面由两个三角形组成）。

3. 光栅化

光栅化阶段会将每个三角形转换为屏幕空间中的像素。对于每个像素，需要插值计算片段的颜色和深度值。

4. 片段着色

在片段着色阶段，假设我们使用了简单的纹理映射来增加表面细节。伪代码如下：

void fragmentShader(Fragment fragment) {
    // 纹理采样
    Color texColor = textureSample(fragment.texCoords);
    // 计算最终颜色
    Color finalColor = texColor * fragment.lighting;
}

5. 输出合并

最后，经过片段着色的颜色和深度值会被写入帧缓冲中。在这一步中，可能会对深度测试进行检查，以保证只有可见的部分被渲染。

小结

在这篇文章中，我们概述了图形管线的主要组成部分及其工作流程。这一系列的过程，使得计算机可以将三维图形有效地转化为二维图像，为后续的几何变换打下了重要的基础。掌握图形管线的每一个步骤，对于理解如何进行更复杂的图形处理（如平移、旋转与缩放）至关重要。在下一篇中，我们将详细探讨几何变换的基本概念和实现方法。