1.0 3D图形渲染流水线

一个通用渲染流水线的渲染流程，如下：

渲染流水线流程图

建立场景：在真正开始渲染之前，需要对整个场景惊喜预先设置，如：摄像机视角，灯光设置以及雾化设置等。
可见性检测：有了摄像机，就可以基于摄像机视角检测场景中所有物体的可见性。
设置渲染状态：一旦检测到某个物体是可见的，接下来就需要把它绘制出来了。但是由于不同物体的渲染状态可能不同（如何进行深度测试，如何与背景图像进行混合等），因此在开始渲染该物体之前首先需要设置该物体的渲染状态。
几何体生成与提交：接着，就需要向渲染API提交几何体数据了，一般所提交的数据为三角形的顶点数据。如：顶点坐标，法线向量，UV等。
变换与光照：当渲染API获取到三角形顶点数据之后，就需要将顶点坐标从模型空间变换到摄像机空间，并且同时进行顶点光照计算。
背面剔除与裁切：变换到摄像机空间之后，那些背对着摄像机的三角形会被剔除，然后再被变换到裁切空间中，将视椎体之外的部分裁切掉。
投影到屏幕空间：在裁切空间中经过裁切之后的多边形会通过投影从三维变为平面，输出到屏幕空间中。
光栅化：屏幕空间的几何体还需要经过光栅化处理才能转变为2D的像素信息。
像素着色：最后，计算每个像素的颜色，并把这些颜色信息输出到屏幕上。

2.0 空间变换

空间变换流程图与变换矩阵

2.1 模型空间

物体的顶点数据最开始是以模型空间（Model Space）作为参考进行描述的，顶点数据一般包含顶点的位置坐标，法线向量，UV(纹理坐标)等。

模型空间还会被称为物体空间（Object Space）或本地空间（Local Space）

2.2 世界空间

如果描述的是不同物体之间的相对位置，则需要使用一个共同的坐标空间，这个共同的坐标空间被称为世界空间（World Space）。把顶点坐标从模型空间转变到世界空间的过程被称为模型变换，需要使用模型变换矩阵。

2.3 摄像机空间

引擎在进行渲染的时候是以摄像机作为观察视角的，这就像是人的眼睛。因此需要将世界空间中的物体转换到摄像机空间（World Space）中，这个转换的过程称为视变换，需要使用视变换矩阵。

摄像机空间也被称为观察空间（View Space）。

2.4 裁切空间

摄像机的视椎体决定了摄像机可以看到区域，但是如果直接使用摄像机的视椎体进行裁剪，计算视椎体与几何体的求交过程太过复杂，所以需要将顶点坐标变换到裁剪空间（Clip Space）在进行裁切，这个变换的过程叫做投影变换，需要使用裁切矩阵，也被称为投影矩阵。

这个过程虽被称为投影变换，但是几何体在裁切空间中其实并没有进行投影，该操作只是为接下来的投影操作提前做好准备。
顶点在裁剪空间中主要做了以下事情：
（1）计算顶点坐标的w分量，用于接下来的透视除法
（2）对摄像机的视椎体进行不均等缩放，使视椎体的梯形结构变为正方体
缩放后的视椎体被称为标准化视椎体。

2.5 屏幕空间

到目前阶段，顶点坐标都还是3D数据。但是如果想要在屏幕上呈现出最终的效果，还需要通过投影的方式将顶点坐标从3D转变为2D。

首先将顶点的x，y，z坐标分别除以w分量，得到标准化的设备坐标（Normalized Device Coordinate,NDC）。
然后将标准化的设备坐标在屏幕像素上进行映射，得到屏幕空间（Screen Space）下的像素坐标。

虽然像素作为平面显示并不需要z分量，但仍需要将z分量保存下来，以便在后续深度测试（Depth Test）阶段惊喜深度值比较和其他处理。

3.0 现代GPU渲染流水线

GPU中图形渲染流水线流程，如下：

GPU流水线

图形渲染流水线以顶点数据作为开始，当GPU获取到CPU传递的顶点数据之后，这个图形渲染流水线正式开始运作。
图形渲染流水线的第一个“站点”是顶点着色器（Vertex Shader），它允许使用者通过程序进行配置。在顶点着色器中，顶点坐标会从模型空间转换到裁剪空间。
装配图元（Primitive Assembly）阶段将顶点着色器输出的顶点数据装配成指定的几何图元，基本图元包括：点，线，面。
光栅化（Rasterization）是将几何图元转变为片段（Fragment）的过程。

屏幕上显示的图像都是由像素组成，而3D物体是由点，线，面这些基本图元组成的，要让几何图元能在屏幕上显示为像素就需要经过光栅化处理。该阶段包含俩部分的工作：
(1)确定屏幕坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用。
(2)分配颜色值和深度值到各个区域。

片段在经过视椎体裁切之后就会被传递到片段着色器（Fragment Shader），它的主要目的是计算每一个像素的颜色，这个阶段可以通过Shader程序进行配置。在这个阶段中，片段着色器会计算光照，阴影，纹理等所有的颜色数据，最终计算出像素的颜色。
当所有像素的颜色都确定下来之后，最后进入测试（Test）和混合（Blending）阶段。在这个阶段会测试所有像素的深度值，将当前片段的深度值与深度缓存中的数值对比，从而判断这个像素的前面是否有物体对它进行遮挡，进而决定这个像素是否应该被丢弃。通过测试的像素会与已经绘制好的图像进行混合，从而得到最终的颜色。
帧缓存（Frame Buffer）是图形渲染流水线的最后一个“站点”，帧缓存中存储这用于渲染到屏幕上的像素，等待下一步输出到屏幕上。