游戏引擎架构#4 低阶渲染器（5）

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背景：

作为游戏开发从业者，从业务到语言到框架到引擎，积累了一些知识和经验，特别是在看了几遍《游戏引擎架构》后对引擎架构的理解又深入了些。

近段时间有对引擎剖析的想法，正好借这书本对游戏引擎架构做一个完整分析。

此书用简明、清楚的方式覆盖了游戏引擎架构的庞大领域，巧妙地平衡了广度与深度，并且提供了足够的细节。

借助《游戏引擎架构》这本书、结合引擎源码和自己的经验，深入分析游戏引擎的历史、架构、模块，最后通过实践简单引擎开发来完成对引擎知识的掌握。

游戏引擎知识面深而广，所以对这系列的文章书编写范围做个保护，即不对细节进行过多的阐述，重点剖析的是架构、流程以及模块的运作原理。

同时《游戏引擎架构》中部分知识太过陈旧的部分，会重新深挖后总结出自己的观点。

概述：

本系列文章对引擎中的重要的模块和库进行详细的分析，我挑选了十五个库和模块来分析：

1.时间库 2.自定义容器库 3.字符串散列库 4.内存管理框架 5.RTTI与反射模块 6.图形计算库 7.资产管理模块 8.低阶渲染器 9.剔除与合批模块 10.动画模块 11.物理模块 12.UI底层框架 13.性能剖析器的核心部分 14.脚本系统 15.视觉效果模块

本篇内容为列表中的第8个部分的第5、6节。

正文：

简单回顾下前文

前文我们聊了下显卡在计算机硬件主板中的位置与结构，知道了CPU、GPU的通信介质，并简单介绍了手机上的主板结构。本篇开头对上一篇做一些内容补充，PC和手机的不同硬件组织，以及CPU与其他芯片的通信过程。

下面我们开始这篇内容

本次内容会围绕GPU来写，从硬件架构到软件驱动再到引擎架构，目标是帮大家理解GPU硬件的运作原理，理解图形接口的架构，理解引擎低阶渲染器的架构。

目录：

主板结构中的显卡

GPU功能发展史

GPU与CPU的差异

GPU硬件特点

图形驱动程序架构

引擎低阶渲染架构

前面我们说了关于GPU硬件上的原理和运作机制，下面我们来讲一讲软件上的架构，尤其是渲染架构。

指令和数据从CPU到GPU最终到帧缓冲的这个过程中，有三种类型的架构，第一种是图形驱动程序的架构，第二种是引擎上的低阶渲染器架构，第三种是GPU上的软件架构。

这三种架构在互相配合，同时也是三个模块互相调用的过程。这也是为什么前面要提到这么多CPU与GPU硬件交互过程的原因。

为了更好的了解这三者，我又研读了一遍《OpenGL ES3.0 编程指南》，通过对OpenGL接口的解读和分析，逐步剖析图形驱动程序架构、引擎低阶渲染器架构、以及GPU软件架构，我认为这种方式是最合适的。

一、图形驱动程序架构

我们使用的图形接口如OpenGL、Metal、DX的原理是基于驱动程序接口做的封装。因此，图形驱动调用接口有三步骤： 检查调用参数、检查硬件是否支持 接着调用硬件驱动程序接口 将数据推入缓冲Buffer

数据被推入缓冲，后续的详细路线如下图：

（GPU中的数据流向图）

GPU有线程来执行程序，线程通过Core来执行指令，每个线程的程序都是一样的，只是数据不同。 因此很好理解，GPU中有许多线程，每个线程执行的指令是一样的，从三角形处理到光栅化以及片元处理，都是顺序执行的指令。因此数据流也跟着顺序的指令走。最后到达帧缓存。

图形API适配了许多GPU驱动程序的接口，驱动程序先检查参数，再将指令推入队列，再刷新时将队列地址发送给GPU，GPU开始处理队列，由线程处理队列中的每个指令，每个线程拥有同样的程序，数据不断被处理，最后到达帧缓存。

在最上层的图形接口之上，引擎低阶渲染器会调用很多不同类型的图形接口，将数据塞入到缓冲中。下面就来详细描述下，引擎低阶渲染器的架构是怎样的。

二、引擎低阶渲染器架构

前面我们说，图形API封装了硬件驱动程序，会先检查再调用。

实际上，低阶渲染器也是一个封装图形API接口的程序，不同的是它封装的更适合渲染对象。

其封装的目的是让散乱的图形API变得更方便使用，同时还能够优化掉重复的计算。

这里首先我们来看下OpenGL ES图形API中的接口类型，通过了解图形API接口，能够想象出如果是我们自己来做低阶渲染器架构我们应该如何封装。所以，了解熟悉图形API对于低阶渲染器的架构非常重要。

下面是一些OpenGL的接口描述和统计，有些枯燥，如已熟悉可以直接跳到描述架构部分。

OpengGL接口描述与统计：

状态开启和关闭，包括开启三角绘制、开启混合、开启模板等
glEnableXXX、glDisableXXX

获取或查询某数据，包括获取数据，获取日志，获取结果等
glGetXXX

绑定数据，包括绑定数据到着色器等
glBindXXX

开始和结束某处理，包括开始变换反馈，查询数据等
glBeginXXX
glEndXXX

清除缓冲
glClearXXX

创建某对象，包括缓冲，数组，纹理，采样器对象等等
glGenXXX，glCreateXXX

删除某对象，包括着色器对象，数组，纹理对象，采样器对象等等
glDeleteXXX

还有其他的如:
glDrawXXX，绘制相关
glCopyXXX，拷贝复制相关
glCheckXXX，检查相关
glIsXXX，判断是否有效
......

下面按相关性划分为：

（着色器相关接口图）

着色器相关：
创建着色器：glCreateShader
加载着色器代码：glShaderSource
编译着色器：glCompileShader
创建着色器程序：glCreateProgram
绑定着色器：glAttachShader
解绑着色器：glDetachShader
链接着色器程序：glLinkProgram
使用着色器程序：glUseProgram
删除着色器程序：glDeleteProgram

（视口相关接口图）

视口相关：
设置视口：glViewport
设置视口裁剪深度：glDepthRangef
清除颜色缓冲：glClear
置换缓冲区：eglSwapBuffers

（顶点相关接口图）

顶点相关：
通过创建缓冲区，可以把顶点数据加载到缓冲区，从而绘制顶点。

加载顶点属性：glVertexAttribXXX
绘制三角形：glDrawArrays，glDrawElements
启用/禁用顶点属性数组：glEnable/DisableVertexAttribArray
申请缓冲：glGenBuffers
指定缓冲：glBindBuffer
向缓冲填入数据：glBufferData，glBufferSubData
删除缓冲：glDeleteBuffers
创建顶点数组对象：glGenVertexArrays
绑定顶点数组：glBindVertexArray
删除顶点数组：glDeleteVertexArrays
映射并返回缓冲区数据：glMapBufferRange
取消映射缓冲区：glUnmapBuffer
刷新映射缓冲区：glFlushMappeBufferRange
复制缓冲区数据：glCopyBufferSubData

（图元绘制相关接口图）

图元绘制相关：
绘制几何形状对象：glDrawArrays, glDrawElements, glDrawRangeElements,
绘制几何Instance：glDrawArraysInstanced, glDrawElementsInstanced
绘制线段：glLineWidth

（光栅化相关接口图）

光栅化相关：
指定正面顺序：glFrontFace
剔除反面：glCullFace
多边形偏移：glPolygonOffset

遮挡查询：glBeginQuery, glEndQuery, glGenQueries, glDeleteQueries, glGetQueryObjectuiv
遮挡查询用查询对象来跟踪通过深度测试的片段或样本。

顶点着色器相关：

内建特殊变量：
gl_VertexID，当前顶点整数索引
gl_InstanceID，当前图元实例编号
gl_Position，输出顶点
gl_PointSize，点精灵尺寸
gl_FrontFacing，是否正面的布尔值

内建常量：
gl_MaxVertexAttribs，顶点属性最大数量
gl_MaxVertexUniformVectors，使用vec4统一变量的最大数量
gl_MaxVertexOutputVectors，输出向量的最大数量
gl_MaxVertexTextureImageUnits，可用纹理单元的最大数量
gl_MaxCombinedTextureImageUnits，顶点和片元着色器中可用纹理单元的最大数量总和

（变换反馈相关接口图）

变换反馈TransformFeedback相关：
glTransformFeedbackVaryings，指定变换反馈时捕捉的顶点属性
glBeginTransformFeedback，开始变换反馈（需先创建变换反馈缓冲区，再绑定到顶点索引）
glEndTransformFeedback，结束变换反馈

（纹理相关接口图）

纹理相关：
4种纹理类型：2D纹理、2D纹理数组、3D纹理、立方图纹理
其中2D纹理数组和3D纹理有点相似，2D纹理数组常用于帧动画。两者区别为过滤和mipmap不同。

glGenTextures，创建纹理对象
glDeleteTextures，删除纹理对象
glBindTexture，绑定到一个特定的纹理目标
glTexImage2D，加载2D和立方图的纹理数据
glTexSubImageXXX，加载部分纹理图像数据
glTexImage3D，加载3D纹理数据
glPixelStorei，设置解包对齐
glTexParameteri，设置贴图的过滤模式
glGenerateMipmap，自动生成mip贴图
glActiveTexture，设置当前的纹理单元，以便后续将纹理绑定该单元
glCompressedTexImageXXX，加载2D、立方图、3D等纹理的压缩图像数据（ETC、ASTC等压缩格式）
glCompressedTexSubImageXXX，加载部分压缩纹理图像

glReadBuffer，设置拷贝图像数据来源的颜色缓冲区
glCopyTexImageXXX，从颜色缓冲区拷贝数据到纹理
glCopyTexSubImageXXX，拷贝部分颜色缓冲区的数据到纹理

（采样器相关接口图）

采样器相关：
glGenSamplers，生成采样器对象
glDeleteSamplers，删除采样器对象
glBindSampler，绑定纹理到采样器对象
glSamplerParameterXXX，设置采样器对象参数
glTexStorageXXX，分配纹理内存

片段着色器相关：

很久以前在固定功能管线中，使用3种输入：顶点颜色插值、纹理颜色、常量颜色，再使用一些公式的组合实现有趣的特效，包括：AB、A+B、A+B-0.5、AC+B*(1-C)、A-B等等。

支持可编程管线后，我们可以通过可编程管线来实现固定功能管线的效果。

现在的可编程管线的输入由四部分构成：
顶点属性插值（顶点上的颜色、uv、法线等）
统一变量（全局常量）
采样纹理
代码常量

内建特殊变量：
gl_FragCoord，片段的窗口相对坐标（可用于噪声贴图计算）
gl_FrontFacing，是否正面朝向
gl_PointCoord，点精灵的纹理坐标
gl_FragDepth，输出变量，覆盖片段的固定功能深度值（会导致深度测试优化失效）

内建常量：
gl_MaxFragmentInputVectors，输入的最大数量
gl_MaxTextureImageUnits，可用纹理图像单元的最大数量
gl_MaxFragmentUniformVectors，使用vec4统一变量项目的最大数量
gl_MaxDrawBuffers，多重渲染目标（MRT）的最大支持数量
gl_(Min/Max)ProgramTexelOffset，通过内建ESSL函数texture*Offset()偏移参数支持的最大和最小偏移量

（缓冲区相关接口图）

缓冲区相关：

缓冲区有三种，颜色缓冲区，深度缓冲区，模板缓冲区。

缓冲清除相关：
glClear，清除指定缓冲区
glClearColor，清除颜色缓冲区中的指定颜色
glClearDepth，清除深度缓冲区中的指定深度
glClearStencil，清除模板缓冲区中的指定掩码
glClearBufferXXX，清除指定缓冲区中的部分区域

缓冲写入相关：
glColorMask，像素写入颜色缓冲区时，哪些分量会被更新
glDepthMask，深度写入深度缓冲区时，哪些深度可以修改
glStencilMask，掩码写入模板缓冲区时，哪些掩码可以被修改
glStencilMaskSeparate，根据正面和背面的图元使用不同的掩码
glDrawBuffers，渲染指定颜色数组到多重渲染目标中
（多重渲染目标允许一次渲染多个颜色缓冲区，从而实现高级渲染算法，如延迟渲染）

（裁剪与测试相关图）

模板缓冲裁剪与测试：
glScissor，指定裁剪矩形区域
glStencilFuncXXX，用指定公式指定值指定掩码测试比较模板缓冲
glStencilOpXXX，将测试结果用于深度缓冲区的操作

深度缓冲测试：glDepthFunc，设置深度测试的运算公式

（混合相关接口图）

混合相关：
glBlendFuncXXX，设置混合系数
glBlendColor，设置常量颜色
glBlendEquationXXX，设置运算公式

颜色缓冲区中读写像素：
glReadPixels，从颜色缓冲区中取出数据返回到指定数组中，
数据传输时会启动DMA传输，此时CPU会空出来。

（帧缓冲区对象相关接口图）

帧缓冲区对象（FBO）相关：
可用于颜色、深度、模板纹理或渲染目标。
glGenRenderbuffers，分配n个渲染缓冲区对象，返回到指针中。
glBindRenderbuffer，绑定渲染缓冲区对象
glRenderbufferStorageXXX，指定渲染缓冲区对象大小和格式
glBindFramebuffer，设置当前帧缓冲区对象（渲染目标）
glFramebufferRenderbuffer，将一个渲染缓冲区对象连接到帧缓冲区附着点
glFramebufferTextureXXX，将纹理的某个mip级别连接到帧缓冲附着点
glCheckFramebufferStatus，验证帧缓冲区对象是否完整

glBlitFramebuffer，高效的将矩形区域的像素从一个帧缓冲区复制到另一个
glInvalidate(Sub)Framebuffer，让整个帧缓冲区或子区域失效
glDeleteRenderbuffers，删除指定渲染缓冲区对象，先断开缓冲区对象才能删除
glDeleteFramebuffers，删除指定帧缓冲对象

未完，最近忙新书和工作以及演讲训练，后续继续写……

参考资料：

《OpenGL ES3.0 编程指南》DanGinsburg等著

《GPU 引擎》 https://docs.microsoft.com/zh-tw/windows/win32/direct3d12/user-mode-heap-synchronization 《CPU体系结构》 https://my.oschina.net/fileoptions/blog/1633021