渲染管线 · 技术美术必修

🎯 技术美术必修

渲染管线
完全指南

从3D模型到2D图像的完整流水线

渲染是将3D模型数据转换为2D图像的过程。
渲染管线是完成这一流程的流水线，是每一位技术美术最重要的基础。

📐

渲染基础

离线渲染

影视行业 · 每帧数分钟~数小时

实时渲染

游戏/VR · ≥24帧/秒，流畅需60帧

类比拍照：找对象 → 按下快门 Camera → render

放置物体与摄像机，调用 render 方法完成渲染。

⚙️

CPU 端 · 准备工作

剔除（Culling）

视锥剔除（AABB与视锥体碰撞检测）、层级剔除、遮挡剔除

排序（Sorting）

不透明 Render Queue < 2500，从前到后
半透明 Render Queue > 2500，从后到前

提交数据 & 发送指令

顶点/法线/UV/切线 · 变换矩阵 · 材质参数 · Shader
→ SetPass Call Draw Call

半透明渲染是实时渲染领域最头疼的问题，
因为无法完全保证从后到前的排序。

🖥️

GPU 渲染管线 · 核心流程

CPU 提交数据

↓

顶点着色器

↓

视口变换 · 图元装配

↓

光栅化

↓

片元着色器

↓

输出合并

↓

帧缓冲区 → 屏幕

①

顶点着色器

模型空间 → 裁剪空间（MVP变换）

②

图元装配 & 光栅化

连线成三角形 → 插值生成片元（潜在像素）

③

片元着色器

为每个片元上色（光照 · 纹理映射）

④

输出合并

遮挡关系 · 混合计算 → 输出到像素

🔄

空间变换 · 七步成像

① 模型空间局部坐标

② 世界空间模型变换矩阵

③ 相机空间视图变换矩阵

④ 裁剪空间投影矩阵 · 2×2×1 长方体

⑤ NDC 透视除法（除以 W）→ -1 ~ 1

⑥ 背面剔除丢弃顺时针三角面

⑦ 屏幕空间视口转换 → 像素坐标

MVP矩阵 = 模型矩阵 × 视图矩阵 × 投影矩阵，
一步将模型空间转换到裁剪空间。

裁剪 ≠ 剔除：裁剪针对三角面与视锥体交界处，剔除针对整个物体。

🧩

纹理技术

UV坐标二维向量，范围通常 [0,1]

过滤 · 小图大区域

最近点采样（锯齿）
双线性插值（柔和）

Mipmap · 大图小区域

生成分辨率链，选择合适层级

寻址 · UV超界

Clamp（边缘复制）
Repeat（重复/镜像）

压缩格式

ASTC（移动端最优）
ETC2 · PVRTC · DXT/BC

ASTC 压缩比 4:1~6:1 且画质优秀；
ETC2 有明显失真；PVRTC 要求 2 的幂次方正方形。

💡

Phong 光照模型

漫反射 (Diffuse)

dot(N, L) · Lambert定律

镜面反射 (Specular)

dot(R, V)^smoothness

环境光 (Ambient)

常数 / Lightmap / IBL

完整光照框架

直接光漫+镜面 + 间接光漫+镜面

光照可拆为四个部分：直接光漫反射、直接光镜面反射、间接光漫反射、间接光镜面反射。
后续可扩充 AO、SSR、3S 等效果。

🎯

输出合并 · 深度 & 混合

阿尔法测试

丢弃低于阈值的片元

深度测试

深度值小→靠前，通过则更新缓冲区
红色(0.8) vs 蓝色(0.5) → 蓝色胜出

混合 (Blending)

Source Alpha × SrcColor + (1 - SrcAlpha) × DstColor

写入帧缓冲区

颜色 · 深度 · 模板 → 最终图像

提前深度测试 (LAJ) 片元着色前剔除被遮挡片元

半透明需严格从后到前排序，通常关闭深度写入。

📖

关键术语速查

AABB 包围盒视锥体 (FOV) 裁剪空间 (CVV) NDC MVP 矩阵 SetRenderState Draw Call Shader 片元 (Fragment) 帧缓冲区 Mipmap 双线性插值 ASTC Phong 模型 GGX (PBR) 球谐函数 (SH) IBL 深度测试阿尔法测试

✨

金句 · 直击本质

渲染管线是每一个技术美术都应该掌握的最重要的基础内容。

顶点着色器的核心任务就是模拟相机投影成像过程，将3D模型从模型空间变换到裁剪空间。

光栅化是真正将3D模型数据转换为2D像素点的关键步骤，但此时片元尚未上色。

📌

学习行动建议

默写渲染管线流程图（面试高频考点）
理解 MVP 变换：模型→世界→相机→裁剪→NDC→屏幕
掌握 Shader = 顶点着色器 + 片元着色器，理解每个阶段的任务
半透明渲染需警惕排序问题，从后到前渲染
纹理压缩：移动端优先选用 ASTC 格式
光照分析从 Phong 模型入手，逐步扩展到 PBR
不要想通过一次学习就理解通透，这是漫长的积累过程

📌

总结 · 渲染管线全景

CPU端 剔除 → 排序 → 提交数据 | GPU端 顶点处理 → 光栅化 → 片元着色 → 输出合并 → 帧缓冲区

管线中每一步都有明确任务与优化空间。理解它，才能真正驾驭渲染、写出好 Shader。
面试时极大可能要求画出渲染管线流程图，务必清晰掌握。

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