安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 魯孝平

顯卡的工作原理

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 魯孝平

本文介紹了顯卡的工作原理，詳細(xì)闡述其四個(gè)工作步驟幾何處理、光柵化、像素渲染、ROP后端輸出的概念及工作原理。提出顯卡工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題并給予解決方案。通過(guò)圖像清晰明了地表達(dá)了其工作原理。

顯卡；幾何處理；光柵化；像素渲染；后端

1.簡(jiǎn)介

顯卡簡(jiǎn)稱GPU，是組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的重要一環(huán)，主要負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)顯示圖像輸出。它通過(guò)與CPU的精密配合，繪制出一幅幅精美的畫(huà)面?，F(xiàn)代GPU工作任務(wù)主要包括幾何處理，光柵化，像素渲染，ROP輸出這四個(gè)步驟。本文就通過(guò)對(duì)這四個(gè)步驟的詳細(xì)闡述來(lái)展示GPU是如何工作的。

2.幾何處理

整個(gè)流程的第一步是幾何處理，它的作用是把抽象的數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為電腦屏幕前栩栩如生的形象輪廓。對(duì)于編程者來(lái)說(shuō)，任何顯示在電腦屏幕上的圖像信息。都使由諸多復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式來(lái)表示的，通過(guò)這些數(shù)學(xué)公式可以將程序員腦海中的復(fù)雜圖像，在一個(gè)三維坐標(biāo)系中展現(xiàn)出來(lái)，把物體表面一些重要的關(guān)鍵點(diǎn)在通過(guò)數(shù)學(xué)公式映射在坐標(biāo)系中，并通過(guò)一定的規(guī)則將這些離散的坐標(biāo)點(diǎn)連起來(lái)，這樣就形成了一個(gè)在虛擬空間中的物體幾何輪廓，最后在通過(guò)對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的位置變換，從而實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。[1]

這些處于虛擬空間中的坐標(biāo)點(diǎn)我們稱之為多邊形頂點(diǎn)，而GPU的工作就是將代碼中所描述的頂點(diǎn)參數(shù)映射到虛擬空間的坐標(biāo)系中。首先CPU通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算將程序中抽象的數(shù)學(xué)運(yùn)算，翻譯成具體的頂點(diǎn)坐標(biāo)，之后GPU則將這些頂點(diǎn)坐標(biāo)一一描繪到虛擬空間的坐標(biāo)系中，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則講這些頂點(diǎn)連接起來(lái)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體外形的重現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程由GPU中的幾何來(lái)完成。[2]

3.光柵化

經(jīng)過(guò)上面的步驟，物體的大致輪廓就已經(jīng)確定下來(lái)了。之后依據(jù)不同程序的要求，對(duì)模型進(jìn)行更加精細(xì)化的處理，如曲面細(xì)分Tesselation，就是利用GPU硬件加速，將現(xiàn)有3D模型的三角形拆分得更細(xì)小、更細(xì)致，也就是大大增加三角形數(shù)量，使得渲染對(duì)象的表面和邊緣更平滑、更精細(xì)。[3]最終物體的外形輪廓被精準(zhǔn)的確定下來(lái)，一個(gè)生動(dòng)鮮活的物體形象在虛擬世界中被GPU的幾何單元?jiǎng)?chuàng)造出來(lái)。

但是由于電腦屏幕顯示的均是二維圖像信息，因而接下來(lái)的步驟就是如何將復(fù)雜的三維世界物體模型映射到二維平面中表達(dá)出來(lái)，這就是GPU中另一個(gè)單元Rasterizer所要完成的工作。

到這里為止，所有關(guān)于圖像的三維操作都將結(jié)束。Rasterizer光柵化是通過(guò)透視原理將分布散三維空間的立體坐標(biāo)信息映射到二維平面直角坐標(biāo)系中。由于電腦所使用的顯示器是一個(gè)二維平面結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接展示出三維空間的全部信息，所以需要通過(guò)透視原理將三維空間中的景深信息表達(dá)出來(lái)，這也就是我們所說(shuō)的圖像立體感。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)物體信息的像素化，Rasterizer這個(gè)步驟也是必不可少的。Rasterizer通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)變換將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面二維坐標(biāo)，這個(gè)過(guò)程中圖像原本的Z軸坐標(biāo)信息將會(huì)被單獨(dú)提取出來(lái)存放入Z-Buffer中，作為景深值。[4]

4.像素渲染

經(jīng)過(guò)光柵化操作后物體的輪廓信息就已經(jīng)被定格在平面像素中，那么接下來(lái)的工作就是將物體的顏色信息填充到圖像中，這個(gè)部分的工作又稱為材質(zhì)操作，而這一過(guò)程將由GPU中的PixlShader完成，它將賦予圖像鮮活的生命力。[5]

4.1 材質(zhì)操作

材質(zhì)操作就是GPU給物體填色的過(guò)程，但是由于硬件限制，實(shí)際操作中無(wú)法象現(xiàn)實(shí)生活中那樣直觀地操作，需要借助代碼去完成，而GPU的工作就是講這些代碼轉(zhuǎn)換為人們能夠識(shí)別的顏色信息，繼而填充在圖像上，最終呈現(xiàn)在顯示屏上。

在實(shí)際操作中，對(duì)圖像上色的過(guò)程是有材質(zhì)庫(kù)來(lái)完成的，在3D圖形的設(shè)計(jì)過(guò)程中，已經(jīng)包含了其本身的材質(zhì)信息，這些材質(zhì)信息會(huì)與相應(yīng)的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而還原出物體本身的色彩及圖案。這些材質(zhì)庫(kù)中的信息會(huì)在光柵化處理后重新還原到物體表面，由于物體由3維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為2為坐標(biāo)，因而需要對(duì)材質(zhì)庫(kù)中的信息進(jìn)行篩選，根據(jù)新的形狀范圍進(jìn)行裁剪，再將裁剪后的材質(zhì)填充在對(duì)因區(qū)域中，也就完成了對(duì)物體上色的過(guò)程。[6]-[7]在整個(gè)過(guò)程中GPU的工作就向搬運(yùn)工一樣，通過(guò)材質(zhì)庫(kù)尋找并提取物體的色彩和圖案信息，之后將其填充到物體表面，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單高效。

圖2 材質(zhì)操作的過(guò)程

4.2 像素渲染

整個(gè)3D圖像生成過(guò)程到這里好像結(jié)束了，然而這樣的圖像展現(xiàn)在屏幕上會(huì)非常的死板。為了解決這樣的問(wèn)題，我們需要將真實(shí)世界的光影信息添加到我們的物體上，將物體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果展示出來(lái)，從而滿足人們?cè)絹?lái)越高的視覺(jué)要求，這項(xiàng)任務(wù)將由Pixel Shader來(lái)完成。

Pixel Shader的主要工作就是還原物體被光線照射之后所呈現(xiàn)出來(lái)的色彩信息，這些色彩信息GPU都將在像素上進(jìn)行操作，所以也就是對(duì)像素的色彩進(jìn)行修改。對(duì)于一個(gè)3D圖像中的物體來(lái)說(shuō)，其本身的色彩信息將會(huì)被拆分為紅綠藍(lán)三原色不同的組合來(lái)表達(dá)，而在電子計(jì)算機(jī)中，紅綠藍(lán)三原色的不同組合是通過(guò)一個(gè)三維矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以要想改變像素的顏色信息，就需要對(duì)這個(gè)三維矩陣進(jìn)行修改。

到這里，shader與材質(zhì)操作的關(guān)系已經(jīng)非常明了了。材質(zhì)單元與shader/ALU同時(shí)描繪了物體表面的圖像，當(dāng)兩者分開(kāi)操作時(shí)，材質(zhì)操作對(duì)于場(chǎng)景和物體光影的描述無(wú)法達(dá)到較高的自由度，而Pixel Shader對(duì)像素沒(méi)有實(shí)時(shí)創(chuàng)造力只能進(jìn)行修飾，所以若想達(dá)到較好的視覺(jué)效果，材質(zhì)單元與shader/ALU兩者缺一不可。

5.ROP后端

圖像處理的過(guò)程是利用編程圖像拆分成幾個(gè)基本的部分，再通過(guò)硬件合并和表達(dá)。從最開(kāi)始的幾何處理，到最后的材質(zhì)操作和Pixel Shader操作，處理的過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行操作步驟，最后形成了基本組成部分的“制造”過(guò)程。最后ROP將所有的工作合并在一起，圖像處理就完成了。

ROP的處理過(guò)程如下：拾取好的材質(zhì)和shader處理結(jié)束的像素會(huì)被傳送到z/stencil buffer中。經(jīng)過(guò)光柵化處理之后的模型雖已沒(méi)有真正的Z軸，但存在Z-buffer中的深度信息能夠讓ROP決定哪些像素可被顯示出來(lái)，ROP單元會(huì)對(duì)這些像素進(jìn)行檢查，這樣做可避免在前面顯示出被完全遮擋的像素，也能為color output的操作減輕壓力。

特定范圍內(nèi)的深度值，在像素深度檢查操作完成后將被輸送到alpha單元進(jìn)行透明度檢查。ROP會(huì)根據(jù)程序需要通過(guò)Blend單元對(duì)特定的像素進(jìn)行alpha Blending操作。剩下的像素在以上步驟結(jié)束后將被填充進(jìn)2D化模型需要的范圍內(nèi)，即Pixel Fillrate過(guò)程。

當(dāng)shader以數(shù)學(xué)形式處理完像素效果后，若沒(méi)有AA操作，圖像渲染工作到這里就已徹底完成了，所有效果的混合填充會(huì)讓畫(huà)面正確的實(shí)現(xiàn)。畫(huà)面會(huì)被送入output buffer等待輸出。若程序要求類似MSAA這樣的AA操作，則ROP中的AA單元還需再多次進(jìn)行多重采樣在將采樣后的像素點(diǎn)進(jìn)行color Blending操作，最后的畫(huà)面將通過(guò)幀緩存輸出到屏幕上。[8]

由此可見(jiàn)ROP單元是整個(gè)GPU工作流程中最為重要的一環(huán)，其工作效率的高低將直接影響到整個(gè)流程的效率，負(fù)責(zé)將之前其他單元的工作成果最終轉(zhuǎn)化為一幅幅精美的畫(huà)面。ROP單元的性能將直接影響到整個(gè)GPU的實(shí)際表現(xiàn)，作為整條STREAM中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，完美的結(jié)束GPU的工作。

6.總結(jié)

到此為止整個(gè)GPU的工作過(guò)程已經(jīng)詳述完成，正是通過(guò)以上這些復(fù)雜而有趣的工作，那些精美的想象中的畫(huà)面才能展現(xiàn)出來(lái)，而這也是推動(dòng)GPU發(fā)展的動(dòng)力源泉，在此希望在未來(lái)的世界中，可以伴隨GPU的發(fā)展為大家?guī)?lái)更加真實(shí)的世界。

[1]姜曉麗,王偉,隋毅.GPU工作流程簡(jiǎn)介[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(24):46-46.

[2]月之繭.演繹視覺(jué)精彩——GPU工作原理簡(jiǎn)析(上)[J].大眾硬件,2004(9):106-108.

[3]張琴,李芳.可編程GPU技術(shù)的應(yīng)用研究[J].泰山學(xué)院學(xué)報(bào),2008,30(6):20-23.

[4]洪偉.顯卡的結(jié)構(gòu)和工作原理[J].電腦界:應(yīng)用文萃,2000(3):13-15.

[5]斯佳麗,laoshu.繽紛色彩競(jìng)妖嬈——顯卡綜述[J].電腦愛(ài)好者,2004(9):75-79.

[6]趙中秋.顯卡維修知識(shí)精解[M].電子工業(yè)出版社,2010.

[7]馬恕.硬件原理篇之二——畫(huà)面是怎樣顯示出來(lái)的?[J].電腦自做,2003(8):127-129.

[8]毛華慶.基于GPU優(yōu)化的三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的研究[D].武漢大學(xué),2010.

魯孝平（1991—），女，現(xiàn)就讀于安徽理工大學(xué)山南校區(qū)電氣與信息工程學(xué)院。