学习札记 GMAES202 高质量实时渲染 Lecture02： Recap of CG Basics
作者：互联网
一、Basic GPU hardware pipeline 基础硬件渲染管线知识
二、OpenGL
三、OpenGL Shading Language （GLSL）高阶着色语言
四、The Rendering Equation 渲染方程
五、Caluculus 基本微积分知识 （课上没讲）
一、Basic GPU hardware pipeline基础GPU渲染管线知识
从一开始从3D模型到最后的一张图，中间的过程就是渲染管线/渲染流水线，管线是GPU完成的工作。
输入：空间中的点和连接关系（空间中物体的表示）；
Vertex processing： MVP变换将模型中的点变换为屏幕上的点；
Triangle processing：变换过后，顶点的连接关系并未发生改变，只是被投影到屏幕上了；
Rasterization光栅化：将三角形打散，离散化为屏幕上的一堆像素；
Fragment processing：计算像素/片段的颜色；
二、OpenGL
OpenGL是一系列API，通过在CPU端执行，来调度GPU负责干什么。由于OpenGL是在CPU端执行，因此OpenGL用任何语言写是完全没有关系的。
l OpenGL优点：
-跨平台。
l OpenGL缺点：
-版本是非常碎片化的，相比于DirectX（不同的版本各自有不同的特性）。
-面向CPU端，代码风格是C风格，难以面向对象。
-不好debug。
l 对OpenGL的理解：
-渲染管线每一步在OpenGL中都是有对应的
三、OpenGL Shading Language （GLSL）高阶着色语言
到目前为止，这里是本节最重要的内容。GLSL是一种语言，来描述着色器是如何运作、各种不同操作，着色器的运作是来描述顶点和片段如何运算、输出什么。
l 定义了顶点和片段的着色怎样去做
l 这些着色语言非常像C语言，并不面向对象
l 有着非常丰富的历史
-最早没有着色语言：需要在GPU上写汇编语言
-目前最主流的着色器语言：HLSL in Directx（Vertex+Pixel）
-GLSL in OpenGL（vertex+Fragment）
着色语言最终还是要编译成汇编语言来执行指令，因此都需要编译的步骤。
正常情况下shader如何使用：
-Create shader(vertex and Fragment) 写shader
-Compile shader 编译
-Attach Shader to program 建立program
-Link program
-Use program
Program集合了所有自定义的shader
shader的源文件是一系列字符串
与在CPU上的执行非常相似
Shader Initialization Code
以上OpenGL的流程不同程序中是可以复用的。这些操作是可以通过函数封装的。
作业0中的Phong shaders示例如下
l 顶点着色器
①顶点着色器工作1：顶点的变换
-顶点的位置由aVertexposition 一个vec3 3维向量 定义的。
-attribute是一个顶点属性，只在顶点着色器中有。定义的内容包括顶点位置、 顶点法线、顶点纹理。
-每一个shader是针对的每一个vertex 因此这里不包括for循环，只是循环内的事情。
②顶点着色器工作2：告诉片段着色中要用到的一些信息
-告诉片段着色器中用到的一些要被插值的量，是通过varying关键字来指定的，因此在片段着色器中一定还有一个相同的定义。其中highp是指的计算精度。
-uniform：全局变量。直接从CPU扔到 GUP的全局变量，顶点和片段着色器都可以访问。
l 片段着色器
-在片段着色器中varying定义一模一样，只不过在这里varying中的变量已经经过插值了。
-Sampler2D定义的是二维的一个纹理，可以通过某一个位置的查询这个位置上的值。
-gl_FragColor是OpenGL给的变量，告诉OpenGL片段的颜色 也就是要向这个里面写值。顶点着色器中的gl_position同理。
-vec3(2.2)是对颜色进行的一个Gama矫正。
很多年前，shader是无法debug的，可以用NVIDIA的NSIGHT和visual studio 来调试 但是需要多个GPU来调试，同时必须在软件模拟的情况下跑 来调试HLSL。
Shader不好调试的原因：
因为Shader是在GPU上运行，所以很难加上一个断点，来打印出来中间的结果。
目前新的办法：
Nsight Graphics（跨平台 只有N卡支持）
Render.doc （跨平台 对GPU没有限制）
其他方法：RGB调试法
-来打印出，也就是显示颜色。
-如果得出了某一个值，将这个值作为一个颜色
四、The Rendering Equation 渲染方程
渲染方程是非常重要的一个概念，整个Path Tracing的体系是建立在此基础上的，是一个正确的用来描述光线传播的一个方法/等式。
看到的任何一个点P，以wo方向打到眼睛上的Radiance，是这个点本身发出来的Radiance（自发光）+ 所有其他打到这个点的Radiance×BRDF ×cosθ。就是其他所有打到这个点的光在观察方向上的反射的能量。
在实时渲染中说BRDF的时候有的时候就是BRDF， 有的时候说的是BRDF和cosθ 项在一起。
当考虑一个Shading Point会不会接受四面八方的光照时，我们会引入Visibility 的概念（下图红色方框），这里会考虑某个方向上光源能不能照到这个点，是对Rendering Equation 的一个解释。这么理解的好处，就会引入环境光，因此对于环境光照的解释比不写Visibility项就会更为直观。
环境光：不同方向上来的光强度分布。
环境光的强度可以定义在一个Cube MAP上，也可以定义在一个球（sphere map）上。
环境光的难度：复杂在对于任何一个点（像素），都要去解这个积分，需要将每一个方向的都积分起来，这个运算量是非常恐怖的。
Rendering Equation是一个递归的定义，，一个点接收的光照可能是另外一个点反射的光照，也就是间接光照的存在。
直接光照：光只弹射一次。
全局光照：包含两个部分，包含直接光照和间接光照。
另外一个概念，如果让光再多弹射一次，就是图三的效果，但是实际上两次和三次差别并不明显。
在实时渲染中解决全局光照，通常说的就是解决多“一次”弹射的间接光照，在实时渲染中只要能搞出多一次的见见光照，更多的bounce可以暂时先不考虑。
五、Caluculus 基本微积分知识
闫玲琪大神课上没讲。。。。。。
标签：Basics,Lecture02,OpenGL,渲染,CG,GPU,顶点,着色器,光照 来源： https://blog.csdn.net/jiuzhouhi/article/details/123209254