繪圖管線 (Rendering Pipeline)

還沒接觸電腦圖學之前，傻傻地以為繪圖只要交給軟體來做就好，完全忽略硬體這部份。然而其實軟硬體兩者都很重要，只有好的演算法沒有硬體加速，無法彰顯效能，而只有硬體加速而沒有好的演算法，無法發揮硬體的潛能。於此學習電腦圖學，有必要從基本的繪圖管線(Rendering Pipeline)瞭解起。

這裡先討論傳統的固定功能管線Fixed Function Pipeline，之後就可以瞭解進階的Shader程式設計。話說「Shader」這名詞當時對初學者的我只知道直接翻譯是「陰影者」，後來才知道自從有了可程式化得繪圖晶片後，程式設計師可以對這些晶片寫作程式自訂場景(Scene)中頂點的轉換過程，是所謂的「Vertex Shader」，此外也可以寫程式來控制畫面(Screen)上每個像素的著色計算，是所謂「Pixel Shader」。總之，懂得寫Shader的程設師，可以做出他人無法達到的效果。

話說回來，3維繪圖有三種技術，分別是Ray Tracing(光線追蹤)、Radiosity(輻射度)、Rasterizing(光柵化)。

以上為三種繪圖演算法，接著我們想知道如何搭配硬體來使繪圖有最好的效能呢？基於複雜度、分支度、Locality來分析，雖然前兩者的演算法可以得到相當真實的效果，然而其複雜度、分支度大而Locality低，製造硬體成本和困難度較高，因此目前以硬體做加速的演算法是Rasterizing。

什麼是Rasterizing(光柵化)？由Vector graphics(向量圖形)轉換為Raster graphics(光柵圖形)的過程。至於Ray Tracing(光線追蹤)、Radiosity(輻射度)已經很常聽見，在此不多做介紹。

繪圖管線(Rendering Pipeline)

–> Transformation & Lighting

–> Viewport Transformation

–> Clipping & culling

–> Primitive Assembly & Triangle Setup

–> Rasterization

–> Pixel operation

–> Raster operation

以上是簡化過的繪圖管線，不過它包含現今3D pipeline中主要部份。以下簡單列出管線各階段的行為作用：

Transformation & Lighting

Object coordinate—–＞World coordinate—–＞ Eye coordinate
Model transformation　　　View Transformation

Viewport Transformation & Clipping & Culling

Eye coordinate —–> Clip coordinate —–> Screen coordinate
　　　 　Projection transformation　Viewport Transformation

Primitive Assembly ＆ Triangle Setup：將Vertex根據Primitive，還原出Mesh結構＆減少處理的三角面數量

• Clipping
• Back-face Culling

Rasterization：從頂點(Vertex)變成了像素(Pixel)

• scan-line
• Z字形

Pixel operation：算出Pixel color的過程

• Texture operation
• Blending
• Filtering

Raster operation：把Pixel color填進frame buffer的過程

• Scissor Test (剪切測試)
• Alpha Test (透明度測試)
• Depth & Stencil Test (深度與模版測試)
• Blending

參考：3D繪圖(3D Graphics Pipeline)，有非常詳細的解說，寫於96/03/03，很棒。