计算机图形学笔记---GPU图形绘制管线
暑假到啦，大三博主选了可视化方向，就想着在暑假提前进行学习啦。而且哦，博主前几天偶然看到了一个研究生小姐姐写的关于shader的特别棒的博客教程，简直像个天使！博主觉得如果自己在学习过程中记录下的笔记也能帮助到其他人，给大家一个大致的框架与总结，那就再好不过了。所以，出于抛砖引玉的本意，博主觉得不能这样懒啦！要更博，努力记录下重点，同时也能激励下自己嘛φ(>ω<*) 好的，我们一起加油！
呃作为学习笔记的博客在排版上可能不会很美观，图片也不会很有趣，（毕竟博主看著作要消耗很多时间qwq）但文字都是干货，其中还有一些自己的理解。
图形绘制管线 分为三个主要阶段：
应用程序阶段——用高级编程语言进行开发，主要和CPU和内存打交道，执行的有碰撞检测、场景图建立、空间八叉树更新、视锥裁剪等经典算法。在该阶段末端，几何体数据（顶点坐标、法向量、纹理坐标、纹理等）通过数据总线传递到图形硬件（时间瓶颈）
几何阶段——主要负责顶点坐标变换、光照、裁剪、投影以及屏幕映射，该阶段末端可以得到经过变换和投影后的顶点坐标、颜色、以及纹理坐标。
光栅阶段——基于几何阶段的输出数据，为像素正确配色，绘制完整图像 进行的都是单个像素的操作，每个像素的信息存储在颜色缓冲器中
注意：光照计算属于几何阶段，因为涉及视点、光源、物体的世界坐标；
雾化以及涉及物体透明度的计算属于光栅阶段，因为都需要深度值信息（在几何阶段计算从而传递到光栅阶段）
- 几何阶段
坐标空间（类型）——模型坐标空间、世界坐标系空间、观察坐标空间、屏幕坐标空间
从object space到world space（必须与一个固定的坐标原点进行参照）
object space coordinate 是模型文件中的顶点值，建模时得到；与其他物体无参照关系
从object space coordinate到world spacecoordinate 转换由一个四阶矩阵控制——world matrix
光照计算在世界坐标中进行
注意：顶点法向量在模型文件中属于 object space，在GPU的顶点程序中必须将法向量转换到world space中才行，其转换矩阵是world matrix的转置矩阵的逆矩阵
从world space到eye space
*在计算机中每次只能从唯一的视角出发渲染物体
eye space 以视点或相机为原点，由视线方向、视角和远近平面共同组成一个梯形体的三维空间，称之为视锥（viewing frustum)
梯形体较小的近平面是投影平面；梯形体较大的远平面
此梯形体中所有顶点数据可见，超出之外的场景数据会被视点去除（frustum culling视锥裁剪) 裁剪clip
从eye space 到project and clip space
多边形裁剪在CVV中进行；投影与剪裁的先后？
CVV（canonical view volume)规范立方体–一个单位立方体，对角顶点分别是（-1，-1，-1），（1,1，1）
它的近平面的x,y坐标对应屏幕像素坐标，z坐标则代表画面像素深度
两个空间转换的步骤——
1.用透视变换矩阵把顶点从视锥体中变换到裁剪空间的CVV中—这才是所说的投影，主要有正投影（平行投影）和透视投影
2.在CVV中进行图元裁剪
3.屏幕映射：将前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上
当一个图元 （图元指的是图形数据，所对应的就是绘图界面上看得见的实体）完全位于视体内时，可以直接进入下一个阶段；完全在外部的被剔除；对部分位于视体内的进行裁剪
对裁剪算法的理解——为减少需要绘制的顶点个数，而识别指定区域内或指定区域外的图形部分的算法，主要包括：视域剔除、背面剔除、遮挡剔除、视口裁减等
Primitive Assembly 图元装配——将顶点根据原始的连接关系还原出网格结构。
网格由顶点和索引组成，在之前的流水线中是对顶点的处理，这里是根据索引将顶点链接在一起，组成线、面单元。然后对超出屏幕的三角形进行裁剪（处理三角形的过程Triangle Setup)
三角面片的法向量朝向视点（法向量与视点方向的点积为正）——正面！若是反面，则进行背面剔除
最后得到一堆在屏幕坐标上的三角面片（用于做光栅化的）
- 光栅化阶段
光栅化：决定哪些像素被集合图元覆盖的过程（将顶点以及绘制图元对应到像素）
点的屏幕坐标值（浮点数）四舍五入得到像素位置（整数点）
那如何处理像素？给其赋颜色值呢？
Pixel Operation(Raster Operation)— 在更新帧缓存前，执行最后一系列对每个片段的操作；目的是计算出每个像素的颜色值 在这个阶段，被遮挡面通过深度测试消除
所做的工作包含——
1)消除遮挡面
2)Texture operation 纹理操作 根据像素的纹理坐标查询对应纹理值
3)Blending混色 目前颜色+正计算的颜色的透明度Alpha(alpha混合技术 0为透明）
4)Filtering 将正在算的颜色经过某种滤波或者滤镜输出==经过一种数学运算后变成新的颜色值
在该阶段后，像素的颜色值被写入帧缓存
Z Buffer(depth buffer)深度缓冲区 存放深度值（视点到每个像素所对应的空间点的距离衡量）
接近眼睛的Z值为0.0，远裁减面上为1.0 可以用其来判断空间点的遮挡关系
在透视投影中同一图元相邻像素的Z值并不是线性关系，非线性程度随空间点到视点增加越发明显，Z值决定了物体之间的相互遮挡关系
Z-fighting(flimmering)——没有足够的精度，两个相距很近的物体会出现随机遮挡的现象
Stencil Buffer 模板缓冲区 通常附加到z buffer中，用来做记号 eg.在一个像素的Stencil Buffer中存1，表示该像素对应空间点处于阴影体（shadow volume）中
Frame Buffer 帧缓冲器——用于存放输出数据，一般是像素颜色值 在显卡或内存上；有时被认为是颜色缓冲器和Z Buffer的组合