WebGL入门教程2 - GPU基本概念和工作流水线（渲染管道）

在教程1中，我们已经讲述了基础的3D图形知识，接下来我们了解具体的硬件结构、GPU基本概念。

计算机图形硬件结构

如前所述，WebGL能利用硬件加速来完成绘图，计算机硬件结构如下图所示：

WebGL直接基于GPU来绘制图像，GPU利用专有的图形内存/缓存来加速渲染，帧缓存包含颜色、透明度、深度和模版掩码属性。GPU把像素写入帧缓存，显示设备从缓存中进行光栅化扫描读取，为了保持读写同步，GPU使用了双缓存（前缓存和后缓存）以及垂直同步（vSync）技术，所谓vSync就是在光栅扫描结束时给GPU发出信号，使得GPU可以置换前后缓存。

WebGL渲染工作流水线

工作流水线指的是WebGL程序的执行过程，如上图所示，主要分为4个步骤，第1步是顶点着色器的处理，主要是一组矩阵变换操作，用来把3D模型（顶点和原型）投影到Viewport上，输出是一个个多边形（比如三角形），第2步是光栅化，也就是把三角形连接区域按一定的粒度逐行转化成片段（fragement），我们可以把这些片段看做是3D空间的像素点，第3步是片段着色器的处理，为每个像素添加颜色，第4步把3D空间的片段合并输出为2D像素数组并显示在屏幕上。

顶点（Vertex）、图元（Primitives）、片段和像素

顶点不只是立体几何中的坐标点，它还包含颜色、纹理，以及表面法向量（通常是由表面向外）用来区分对象的正反面。表面法向量遵循右手规则（或逆时针旋转）。

图元（或原始对象）是一组最简单的图形元素，如点、线段和若干点的闭合连接，下面是常用的原型：

我们在后续文章中的例子中就将使用GL_TRIANGLE_STRIP来创建一个简单的矩形。

像素是二维空间数据，坐标为（x,y），然后还有颜色，用于在物理屏幕上显示。

片段是三维空间的数据，坐标为（x,y,z），x/y和2D像素相同，z表示颜色深度，合成时需要处理前后遮挡关系以及透明度的处理。除此之外，片段是顶点光栅化而来，其还包含和Vertex对象相同的属性，比如纹理。

顶点着色器的变换操作

现代GPU中，顶点处理和片段处理都是可编程的，称之为着色器（Shader）。顶点处理包括如下变换：

1. 放置对象在3D空间中，也就是模型变换（Model Transformation）

2. 设定相机的位置和观察方向，称之为视图变换或取景变换（View transformation）

3. 选择相机镜头（广角，正常或可伸缩的），调整焦距和缩放系数来设定相机的视觉空间（实际就是调整视锥体范围内的某个投影截面的位置），称之为投影变换(Projection transformation)，投影方式有两种：正交投影和远景投影，其中常用的是远景投影，即模拟人眼来观察真实世界中的对象，正交投影可以理解为把观察点拉到足够远，此时视觉空间将逼近为平行的长方体而不再是一个视椎体。

4. 把相片打印到选定纸面区域，称之为视窗变换（Viewport transformation），这一步是在光栅化的时候执行的，注意Viewport实际对应于屏幕Web应用程序的窗口，其坐标原点是在左上角，y轴的方向向下。

我们这里主要讲解概念，不列出实际的变换矩阵和公式，想了解细节的请参考计算机图形学教程相关章节。

在接下来的教程中我们将说明如何具体编写WebGL的应用程序。