GPU 图形绘制管线
参考自 《GPU 编程与CG 语言之阳春白雪下里巴人》
图形绘制管线描述 GPU 渲染流程，即"给定视点、三维物体、光源、照明模式和纹理等元素，如何绘制一幅二维图像"。
在《实时计算机图形学》一书中,将图形绘制管线分为三个主要阶段:应用 程序阶段、几何阶段、光栅阶段。
应用程序阶段,使用高级编程语言(C、C++、JAVA 等)进行开发,主要和 CPU、内存打交道,诸如碰撞检测、场景图建立、空间八叉树更新、视锥裁剪等 经典算法都在此阶段执行。在该阶段的末端，几何体数据（顶点坐标。法向量、纹理坐标、纹理等）通过数据总线传送到图形硬件（时间瓶颈）；数据总线是一个可以共享的通道，用于在多个设备之间传送数据；端口在两个设备之间传送数据的通道；带宽用来描述端口或者总线上的吞吐量,可以用每秒字节(b/s) 来度量,数据总线和端口(如加速图形端口,Accelerated Graphic Port,AGP)将 不同的功能模块“粘接”在一起。由于端口和数据总线均具有数据传输能力,因此 通常也将端口认为是数据总线。
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，该阶段基于GPU进行运算,在该阶段的末端得到了经过 变换和投影之后的顶点坐标、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(Pixel)正确配色,以便绘制 完整图像,该阶段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( color buffer 或者 frame buffer )中。
1.几何阶段
几何阶段的主要工作是"是变换三维顶点坐标"和"光照计算"。
输入到计算机中的是一系列三维坐标点，但是我们最终需要看到的是，从视点出发观察到特定点（可以理解为，三维坐标点，要使之显示在二维的屏幕上）。一般情况下， CPU 帮我们自动完成了这个转换。基于 GPU 的顶点程序为开发人员提供了控制顶点坐标空间转换的方法。
根据顶点坐标转换的先后顺序，主要有如下几个坐标空间，或者说坐标类型： Object space，模型坐标空间； World space，世界坐标系空间；Eye space，观察坐标空间；Clip and Project space，屏幕坐标空间。
无论在现实世界,还是在计算机的虚拟空间中,物体都必须和一个 固定的坐标原点进行参照才能确定自己所在的位置。
每个人都是从各自的视点出发观察这个世界,无论是主观世界还是客观世 界。在计算机中每次只能从唯一的视角出发渲染物体。在游戏中，都会提供漫游的功能，屏幕显示的内容随着视点的变化而变化。这是因为 GPU 将物体顶点坐标从 world space 转换到了 eye space。
所谓 eye space ，即以 camera （视点或相机）为原点，由视线方向。视角和远近平面，共同组成一个梯形的三维空间，称之为 viewing frustum （视锥），如下图，
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一旦顶点坐标转换到 eye space 中，就需要判断哪些点是视点可见的。位于 viewing frustum （视锥）梯形体以内的顶点，被认定为可见，而超出这个梯形体之外的的场景数据，会被视点去除（Frustum Culling，也称之为视锥裁剪）。这一步通常称之为『 Clip（裁剪） 』，识别指定区域内或区域外的图形部分的过程称之为裁剪算法。
很多人在理解该步骤时存在一个混乱,即“不清楚裁减与投影的关系和两者 发生的先后顺序”,不少人觉得是“先裁减再投影”,不过事实并非如此。因为在不规则的体中进行裁剪并非易事，所以经过图形学前辈们的 精心分析,裁剪被安排到一个单位立方体中进行,该立方体的对角顶点分别是 (-1,-1,-1)和(1,1,1),通常称这个单位立方体为规范立方体(Canonical view volume, CVV)。
从视点坐标空间到屏幕坐标空间 (screen coordinate space)事实上是由三步组成:
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;
2).在 CVV 进行图元裁剪;
3).屏幕映射:将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上。
确定只有当图元完全或部分的存在于视锥内部时,才需要将其光栅化。当一个图元完全位于视体（此时视体以及变换 为 CVV ）内部时，它可以直接进入下一个阶段；完全在视体外部的图元，将被剔除；对于部分位于视体内的图元进行图元进行裁剪处理。
裁减算法主要包括:视域剔除( View Frustum Culling )、背面剔除 ( Back-Face Culling )、遮挡剔除( Occlusing Culling )和视口裁减等。
2.光栅化阶段
光栅化：决定哪些像素被集合图元覆盖的过程（ Rasterization is the process of determining the set of pixels covered by a geometric primitive ）。
经过坐标转化之后，可以得到每个点的屏幕坐标值,但是存在两个问题：
问题一：点的屏幕坐标值是浮点数，但像素都是由整数点来表示的，如果确定屏幕坐标值做对应的像素？
问题二：在屏幕上需要绘制的有点、线、面，如何根据两个已经确定位置的 2 个像素点绘制一条线段，如果根据已经确定了位置的 3 个像素点绘制一个三角面片？
Pixel operation 又称为 Raster Operation ,是在更新帧缓存之前，执行最后一系列针对每个片段的操作，其目的是：计算出每个像素的颜色值。 Pixel operation 包含如下四个方面：
1). 消除遮挡面
2). Texture operation，纹理操作，也就是根据像素的纹理坐标，查询对应的纹理值；
3). Blending，混色,根据目前已经画好的颜色，与正在计算的颜色的透明度(Alpha)，混合为两种颜色,作为新的颜色输出。
4). Filtering,将正在算的颜色经过某种 Filtering (滤波或者滤镜)后输出。 可以理解为：经过一种数学运算后变成新的颜色值。
GPU 内存架构
寄存器和内存的区别：
从物理结构而言，寄存器是 CPU 或 GPU 内部的存储单元，即寄存器是嵌在 CPU 或者 GPU 中的，而内存则可以独立存在；从功能上而言，寄存器是有限存储容量的高速存储部件，用来暂存指令、数据和地址。Shader 编程是基于计算机图形硬件的，这其中就包括 GPU 上的寄存器类型， glsl 和 hlsl 的着色器虚拟机版本就是基于 GPU 的寄存器和指令集而区分的。
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