光栅化 — 什么是光栅化，阶段和工作原理

什么是光栅化？

光栅化 — 是图形管线中将几何图元（三角形、线段）转换为片段集供片段着色器进一步处理的阶段。输入数据 — 屏幕坐标中的三角形顶点及其属性（颜色、法线、UV）。输出 — 具有插值属性的片段集。

与可编程着色器（顶点着色器和片段着色器）不同，光栅化是固定（不可编程）阶段。开发人员无法更改光栅化算法，但可以管理其参数：裁剪模式（culling）、线宽、深度偏移（polygon offset）和多重采样。

光栅化在实时图形中的作用

几乎所有现代实时图形 — 游戏、UI、AR/VR — 都使用光栅化。这是最高效的渲染方法，能够在60 FPS下每帧处理数百万个三角形。GPU光栅化器通过专门的ROP（渲染输出单元）块针对数千个三角形的并行处理进行了优化。

光栅化如何工作？

三角形光栅化在顶点着色器将顶点转换为屏幕坐标后开始。GPU获取三角形的三个顶点，并确定屏幕上的哪些像素位于该三角形内部。

三角形光栅化的阶段

该过程包括三个连续步骤：确定三角形的像素边界框 — 检查边界框内每个像素是否属于三角形（边缘函数） — 为每个覆盖像素计算插值属性（重心坐标）。边缘函数 — 是一个线性方程，确定点位于三角形边的哪一侧。

光栅化算法

光栅化可以通过不同的算法实现，每种算法在性能和质量之间都有自己的权衡。现代GPU使用多种方法的组合。

扫描线算法

为早期GPU开发的经典光栅化算法。三角形逐行（扫描线）处理：对于屏幕的每一行，确定三角形的进入和退出点，并填充它们之间的所有像素。扫描线转换对于大三角形效率高，但对于任意形状的三角形需要复杂的逻辑。

半空间（边缘函数）方法

现代GPU使用半空间光栅化方法：对于三角形的每一边，计算边缘函数 — 一个线性方程，一边为正，另一边为负。如果所有三个边缘函数都为正，则像素属于该三角形。半空间光栅化易于并行化，并且非常适合GPU的SIMD架构。

基于瓦片的光栅化（TBR）

移动GPU（Qualcomm Adreno、ARM Mali）使用基于瓦片的渲染（TBR）。屏幕被分成小块（16×16或32×32像素），每个块单独执行光栅化。通过将帧缓冲区存储在快速的本地内存（瓦片内存）中，这最大限度地减少了对视频内存的访问次数。TBR降低了功耗，这对移动设备至关重要。

光栅化与光线追踪对比

光栅化和光线追踪 — 两种截然不同的3D图形渲染方法。光栅化在实时应用中占主导地位，光线追踪在离线渲染中占主导地位，并逐渐渗透到实时领域（在兼容RTX的GPU上）。

MSAA与光栅化中的抗锯齿

光栅化时会出现锯齿问题 — 三角形边界上的阶梯状边缘。这是因为像素是离散的，不能部分被三角形覆盖。为了对抗锯齿，使用多重采样（MSAA）。

MSAA如何工作

MSAA（多重采样抗锯齿）以更高的采样频率（2x、4x、8x）执行光栅化。每个像素使用多个子样本而不是一个样本，每个子样本都检查是否被三角形覆盖。MSAA 4x每个像素处理4个子样本，在不完全增加渲染分辨率的情况下提供明显的边缘平滑效果。

FXAA和其他后处理方法

与MSAA不同，后处理平滑方法（FXAA、SMAA、TAA）在光栅化后工作，分析最终图像。FXAA（快速近似抗锯齿）检测图像边缘并应用模糊进行平滑，比MSAA快得多，但质量较差。

GPU上的光栅化与优化

现代GPU上的光栅化由专门的硬件块执行 — ROP（渲染输出单元）。ROP的数量直接影响填充率 — GPU每秒可以处理的像素数。

光栅化性能的因素

• 三角形数量 — 每帧的三角形数。每个三角形需要设置和边缘测试的开销。
• 填充率 — ROP块每秒处理的像素数。取决于GPU的时钟频率和ROP数量。
• 过度绘制 — 由于三角形重叠而重复光栅化同一像素。通过按深度排序对象进行优化。

为移动GPU优化光栅化

对于移动GPU（基于瓦片的渲染），以下至关重要：通过早期Z测试最小化过度绘制，使用背面剔除移除不可见的三角形，以及通过隐藏表面消除（遮挡剔除）丢弃完全被其他对象覆盖的三角形。