一、简介
一条渲染管线由几个阶段(stages)组成，每个阶段完成一个大的任务。
pipeline stages并行执行，同时每个阶段要依赖上一个阶段的处理结果。理想情况，一个nonpipelined 系统被分成n个pipelined stages，可以得到n倍的加速。
Real-time rendering pipeline可以粗略地分为四个主要的stages: application, geometry processing, rasterization和pixel processing，如下图。
从上图可以看出一个stage可能本身也是一个pipeline，如上图Geometry Processingstage。一个stage也可能是(partly)并行化的，如:Pixel Processing stage。
Application stage用application驱动，由运行在CPU上的软件实现。一些通常在CPU上执行的任务：collision detection, global acceleration algorithms, animation, physics simulation等。
Geometry processing处理变换、映射等geometry handling类型的任务。这个stage计算出: what is do be drawn, how it should be drawn, and where it should be drawn. geometry stage通常运行在GPU上。
Rasterization stage通常以三角形的三个顶点作为输入，计算出属于三角形内部的像素，然后把这些像素传给下一个stage。
Pixel processing stage对于每个像素执行一个程序(program，应该是指shader)，决定该像素的颜色，也可能执行深度测试(depth testing)，来判断其是否可见。这个stage也可能执行per-pixel(逐像素)操作，例如：blending the newly computed color with a previous color。rasterization和pixel processing这两个stages也完全在GPU上处理。
二、图形渲染管线
1、应用程序阶段
开发者对application stage发生的事有绝对的控制权，因为这个阶段是在CPU上执行的。例如，一个application stage的算法或设置可以减少被渲染的三角形的数量。
但是一些application work也可以通过GPU完成，这要用到计算着色器(compute shader)。compute shader把GPU当成一个高度并行的通用处理器(highly parallel general processor)，而忽略了它渲染图形的专门功能。
在application stage的末尾，要被渲染的geometry被提供给geometry processing stage。这些是rendering primitives，例如，points, lines,和triangles，这些最终可能会出现在屏幕上(或者别的任何输出设备)。这是application stage最重要的任务。
2、几何处理
Geometry processing stage (GPU上)负责大部分per-triangle(逐三角形的)、per-vertex(逐顶点的)操作。每个阶段又可以进一步分成以下几个功能性阶段(functional stages): vertex shading, projection, clipping, and screen mapping。如下图:
3、顶点着色器
Vertex Shading有两个主要的任务，即：
计算顶点(vertex)的位置(postition)
计算任何程序员可能想要的顶点输出数据(vertex output data)，例如法线、纹理坐标。
传统上，大部分物体着色(shade of an object)是通过对每个顶点位置和法线应用光照并把产生的颜色存储在顶点(vertex)中来计算的。这些颜色将会在每一个三角形内部插值。因为这个原因，这个可编程的顶点处理单元被命名为vertex shader。随着现代GPU的出现，随着部分或全部的逐像素着色(per-pixel shading)的出现，vertex shading stage功能变得更加泛化，可能根本不进行任何着色(或者说不计算任何着色方程，shading equation)，这取决于程序员的意图。现在vertex shader是一个更通用的单元，用于设置和每个顶点相关联的数据。
在被显示到屏幕的过程中，一个模型(model)被变换到好几个不同的空间(spaces)或者坐标系统(coordinate systems)。最初一个模型存在于它自己的模型空间(model space)，即根本没有发生变换。每一个模型可以与一个模型变换(model transform)相关联，这样它就可以被定位或定向。也可能发生单个模型(single model)与多个model transforms相关联。也允许在同一场景中，相同模型(same model)的多个拷贝(叫作实例，instances)有不同的位置、朝向或尺寸，不且不需要复制基本几何体(basic geometry)。
被model transform变换的是模型(model)的顶点(vertices)和法线(normals)。一个物体的坐标叫作模型坐标(model coordinates)，模型施加完model transform后，就说模型处于世界坐标(world coordinates)或世界空间(world space)。世界空间是唯一的，所有模型经过各自的model transforms后，都处于同一个空间/坐标系了。
只有被camera(或observer)看到的模型(models)才会被渲染。Camera在世界空间有一个位置(location)和方向(direction)，用于放置和瞄准相机。为了方便投影(projection)和裁剪(clipping)，相机和所有模型(models)会经历view transform。View transform的目的是把camera放置在原点(origin)上，并使得camera看向负 轴(negative z-axis)， 轴朝上(pointing upward)，x 轴朝右。本书使用-z轴的约定(右手坐标系)，一些教材可能喜欢让camera看向+z轴。模型经view transform变换后就处于camera space了，或者叫view space，eye space。下图是一个view transform影响camera和models的例子。
为了产生一个具有真实感的场景，仅仅渲染物体的形状和位置是不够的，也要渲染他们的“样子”(appearance)。这个 描述包含每个物体的材质和照射到物体的光源的效果。材质和光源多种方式建模，从简单的颜色到复杂的物理描述。
决定灯光在材质上的效果的操作被称为着色(shading)。它涉及到在物体各个点上计算着色方程shading equation。通常，这些计算的一部分是在模型顶点(vertices)的几何处理阶段完成的，而另一些是在per-pixel处理时完成的。各种各样的材质数据可以被存储在每个顶点(vertex)上，如：点的位置，法线 ，颜色或者任何别的用于计算着色方程的数值信息。Vertex shading的结果(可能是colors, vectors, texture coordinates，以及别的数据)被送到rasterization和pixel processing阶段，被插值，被用于计算表面着色(shading of the surface)。
作为vertex shading的一部分，渲染系统完成projection(投影)和随后的clipping(裁剪)，这会把视景体(view volume)转换成一个单位立方体(unit cube)，它的顶点坐标范围为(-1, -1, -1)和(1, 1, 1)。这个单位立方体被称为标准视景体(canonical view volume)。首先完成投影(Projection)，在GPU上是通过vertex shader完成的。有两种常见的投影方法，即正交投影(orthographic projection)，也称作平行投影(parallel projection)，和透视投影(perspective projection)。另外几种投影方式，如：oblique和axonometric投影。
正交投影的视景体(view volume)通常是一个的长方体，而正交投影会把这个长文体变换成一个单位立方体(unit cube)。正交投影的主要特点是变换后平行线仍然保持平行。这个变换是平移和缩放的组合。
透视投影更复杂点。在透视投影中，物体离像机越远，物体在投影后看起来越小。另外，平行线可能会相交。投视变换模仿我们感知物体尺寸的方式。在几何学上，透视投影的视景体(view volume)被称为视锥体(frustum)，即一个截头锥体。视锥体也会被变换成一个单位立方体(unit cube)。正交变换和透视变换都可以用 矩阵来构造，经过两者中任何一种变换后，都说模型处于裁剪空间或裁剪坐标(clip coordinates)。这些实际上是齐次坐标(homogeneous coordinates)，出现在被w除之前。为了使下一个功能阶段，clipping(裁剪)，正确工作，GPU的vertex shader必须总是输出这种类型的坐标。
尽管这些矩阵把一个volume(视景体)变换成另一个(unit cube)，他们被称投影(projections)，因为显示后(after display)， 坐标不再存储在生成的图像中，而是存储在 -buffer中。以这种方式，模型被从三维空间投影到了二维空间。
