XNA Rendering Pipeline(附PDF) @ StreamWhite

XNA是使用DirectX 9的Rendering pipeline來繪製圖形，而下圖就是一個簡單的概觀:

接下來就針對這些區塊的來做簡介。

Vertex Data(頂點資料):

Vertex Data他是一個Buffer，用來儲存頂點的資訊，包含像是頂點的座標(position)、頂點的法相量(normal)、頂點顏色(color)和貼圖座標(texture coordinate)等。在XNA中你可以用VertexDeclaration來描述上述的資訊，而這些頂點的資料將會被放到VertexBuffer中。

Primitive Data:

這邊主要提供的概念就是Index Buffer，而Index buffer就是用來決定幾何圖形的連接順序。

在3D世界中，所有的模型都是幾何資料組成，像是點(point)、線(line)、三角形(triangle)等等，而Index buffer儲存的就是頂點位置，然後在pipeline中，會依據index buffer的順序，將頂點給組合起來，像是點、線、三角形或是多邊形等。

而當然使用者可以不指定Index Buffer，然後他就會用預設的方式去做連結，而這個結果可能是你無法預期的，所以我們通常將頂點設定完畢以後，會在設定Index Buffer設定連結順序。

EX:

Vertex Buffer:

1 2 3 4…

a b c d…(這些就包含座標、法向量、貼圖座標等)

Index Buffer:

1 2 3 4 5 6

1 2 3 1 3 2

就可以得到以下圖形的連接方式:

這邊我只是概略的簡介想法，當中這邊涉及很多內容，像是甚麼是front face，還有就是使用的座標系等等。

Front face:

在3D空間中，我們可以由三個點可以組成一個平面，而每個平面都會有法向量(normal)，而所謂的Front face就是指，法向量方向跟眼睛觀察的方向的內積結果為負值，則該平面就是Front face。如下圖:

在3D座標系的部分分為兩種，左手座標系跟右手座標系兩種。(DirectX使用左手座標系)

Vertex Processing:

這個階段會接收Vertex data和Primitive data的資訊內容。在這個階段，這邊會包含一個Shader(著色器) – Vertex shader，這是一個可程式化的操作，而XNA跟DirectX使用的Shader語言是HLSL(High level shader language)。

在傳統的Rendering pipeline中，我們只能接收頂點，然後再將它畫到畫面來，無法針對頂點去做操作，像是改變顏色之類的，這些操作根本不可能做到。而有了Vertex Shader以後，現在我可以對Normal或是頂點顏色，去做些計算改變。打破了以往很多都要先在CPU計算完畢以後再送入Pipeline的情況。

同時，這邊還會去做一個計算，也就是將Local的點，轉換至World coordinate上。(因為每個模型都會有一個Local coordinate的點座標，所以我們需要經由一個轉換，轉換至World coordinate上，而所有的3D物件，都會在相同的世界座標系上面)。這個轉換就包含了View matrix和projection matrix等。

View matrix做的事情主要就是將，Camera的位置移動到原點上面，讓Camera成為座標系的原點，而當然全部場景也會跟著一起轉換，如下圖:

進行這種轉換的好處:

在後面做projection的時候比較方便。
方便做Clip的動作，clip指的就是將View frustum之外的物件移除掉。如下圖:

Projection matrix就是將View Frustum normalize，也就是將它的範圍變到[-1, 1]，稱為unit cube或是canonical。如下圖:

所以，在Vertex processing中，我們可以去對頂點去做處理。

Geometry Processing

這邊做的事情包含上面所說的Clip、back face culling和rasterization等。

Clip: 將在View Frustum之外的polygon給切掉。因為那些部分不會被畫出來，所以我們先把它移除掉。之後的所有處理都不會在計算他們。

Back face culling: 上面有解釋過甚麼是front face，而這邊做的事情就是將Back face的部分剔除掉。

上面兩個操作，都是為了降低計算量，因為這些多邊形使用者並不能看到，所以我們先將它處理掉，這樣後面就不用再去計算它。

Rasterization: 到目前為止我們現在接收到的是primitive，也就是只有頂點和邊的連接。以三角形當作連接方式來說，rasterization接收的資料就是三角形(三個頂點)，而我們要把它畫到螢幕上的話，就會有一個問題產生，螢幕上是pixel，我們將三角形切成一個一個的pixel，並且內插它的座標、貼圖座標和法向量等。然後在將這些pixel(fragment)送往下一個階段進行計算。

Texture sampler:

這邊的操作會由pixel processing中的Shader來存取貼圖。

Pixel processing:

包含一個shader – pixel shader，針對現在接收進來的Pixel去做一些計算，像是貼圖和打光等等。

Pixel rendering:

這個階段有些Test的機制，使用者可以用這些Test來做些操作。

Alpha test: 進行Alpha的透明度測試，可能會需要用到混色的效果。
Depth test: 進行深度上的測試，因為在現在的volumn中，包含了很多的pixel，而我們在乎的就是最前面的部分，因為這個部分是使用者可以看到的，所以經由這個test我們可以獲得到使用者可以看到的深度值。如下圖: