GPU图形渲染流水线的两个部分主要工作

GPU 图形渲染流水线的主要工作可以被划分为两个部分：

① 把 3D 坐标转换为 2D 坐标

② 把 2D 坐标转变为实际的有颜色的像素

GPU 图形渲染流水线的具体实现可分为六个阶段，如下图所示。

1. 顶点着色器（Vertex Shader）

2. 形状装配（Shape Assembly），又称 图元装配

3. 几何着色器（Geometry Shader）

4. 光栅化（Rasterization）

5. 片段着色器（Fragment Shader）

6. 测试与混合（Tests and Blending）

第一阶段，顶点着色器。

该阶段的输入是 顶点数据（Vertex Data） 数据，比如以数组的形式传递 3 个 3D 坐标用来表示一个三角形。顶点数据是一系列顶点的集合。顶点着色器主要的目的是把 3D 坐标转为另一种 3D 坐标，同时顶点着色器可以对顶点属性进行一些基本处理。

第二阶段，形状（图元）装配。

该阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入，并将所有的点装配成指定图元的形状。图中则是一个三角形。图元（Primitive） 用于表示如何渲染顶点数据，如：点、线、三角形。

第三阶段，几何着色器。

该阶段把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。

第四阶段，光栅化。

该阶段会把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成片段。片段（Fragment） 是渲染一个像素所需要的所有数据。

第五阶段，片段着色器。

该阶段首先会对输入的片段进行 裁切（Clipping）。裁切会丢弃超出视图以外的所有像素，用来提升执行效率。

第六阶段，测试与混合。

该阶段会检测片段的对应的深度值（z 坐标），判断这个像素位于其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。此外，该阶段还会检查 alpha 值（ alpha 值定义了一个物体的透明度），从而对物体进行混合。因此，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。

关于混合，GPU 采用如下公式进行计算，并得出最后的颜色。

R = S + D * (1 - Sa)

关于公式的含义，假设有两个像素 S(source) 和 D(destination)，S 在 z 轴方向相对靠前（在上面），D 在 z 轴方向相对靠后（在下面），那么最终的颜色值就是 S（上面像素） 的颜色 + D（下面像素） 的颜色 * （1 - S（上面像素） 颜色的透明度）。

上述流水线以绘制一个三角形为进行介绍，可以为每个顶点添加颜色来增加图形的细节，从而创建图像。但是，如果让图形看上去更加真实，需要足够多的顶点和颜色，相应也会产生更大的开销。为了提高生产效率和执行效率，开发者经常会使用 纹理（Texture） 来表现细节。纹理是一个 2D 图片（甚至也有 1D 和 3D 的纹理）。纹理一般可以直接作为图形渲染流水线的第五阶段的输入。

最后，我们还需要知道上述阶段中的着色器事实上是一些程序，它们运行在 GPU 中成千上万的小处理器核中。这些着色器允许开发者进行配置，从而可以高效地控制图形渲染流水线中的特定部分。由于它们运行在 GPU 中，因此可以降低 CPU 的负荷。着色器可以使用多种语言编写，OpenGL 提供了 GLSL（OpenGL Shading Language） 着色器语言。