1. 場景描述
1.1 表面建模
矩形面片的表示：貝塞爾曲面、非均勻有理B樣條、N面片
細分曲面（subdivision surface）
三角網格
=>固定鑲嵌（tessellation）
=>動態鑲嵌：細分曲面 or
LOD：level of detail 物體與虛擬攝像機的距離的縮減而增加面片個數，最近的爲LOD0
應用於可擴展的網格，如水面、地面（用高度場描述）
1.2 三角網格的表示
法線、背面剔除
索引化三角形表：頂點緩衝（DX）、頂點數組（OpenGL）；索引存儲在索引緩衝、索引數組中
頂點緩存優化：三角形帶、三角形扇
1.3 模型空間
模型空間、局部空間、物體空間
世界空間：網格示例+模型至世界矩陣（旋轉、縮放、位移）
1.4 顏色、紋理、材質
每像素位數Bits per pixel BPP
高動態範圍high dynamic range HDR
頂點屬性：位置、法線、切線、顏色、紋理座標、蒙皮權重
紋理種類：漫反射貼圖(diffuse map)，法線貼圖、光澤貼圖、環境貼圖（環境反射）
mipmap：多級漸遠紋理，用於處理莫列波紋
紋素密度：紋素和貼圖表面的（世界空間、屏幕）面積之比
紋理過濾：紋素->像素的採樣過程（最近鄰、雙線性、三線性、各項異性）
材質：包含着色器、着色器的輸入參數、紋理；不包含頂點屬性
1.5 光照
1.5.1光傳輸模型：
局部光照模型：只考慮直接光照（每個物體不會影響其他物體的光照）
-Phong式反射模型：
環境光+漫反射+鏡面反射，可用BRDF表示
BRDF：雙反射分佈函數，入射光和人看到的光線強度圖，包含法線N，光源方向L和視線方向V
全局光照模型：考慮間接光照（光線追蹤ray tracing, 輻射度算法 radiosity）
渲染方程/着色方程：全局光照模型可由單一數學公式描述
1.5.2 光源模型：
靜態光照：存儲在光照貼圖light map中，是一個紋理貼圖
不存儲在漫反射紋理貼圖中的原因：光照紋理貼在所有受光影響的物體上，處理動態物體經過光源的光照；更好壓縮；漫反射紋理會重複使用，不能放在其中
環境光
平行光
點光
聚光（圓錐）
面光
發光物體：放射光貼圖(emissive texture map)模擬，紋理的顏色以完全強度發射，不收附近光照的影響；+ 光源
1.6 虛擬攝像機
觀察空間：攝像機位於空間原點、觀察至世界矩陣View-World
模型->世界->觀察：世界至觀察矩陣、又稱觀察矩陣World-View，是觀察至世界的逆矩陣
觀察體積：view volume、近平面、遠平面
透視投影對應平截頭體(frustum)、正射投影對應長方體
投影：透視投影(perspective)、正射投影(orthographic)，將點從觀察空間變換至齊次裁剪空間
齊次裁剪空間：是觀察空間的變形版本，將觀察體積轉換成標準觀察體積：一個長方體，x,y和z座標都是(-1,1)。這個座標系統爲齊次裁剪空間
屏幕空間：二維。屏幕映射：將裁剪空間座標平移、縮放至屏幕正方形裏。渲染時，忽略面片的z座標，只使用x和y座標繪製在屏幕上（幀緩衝）
光柵化：三角面片的片段(fragment)對應屏幕上的一個或部分像素
-抗鋸齒(anti-aliasing)：全屏抗鋸齒FSAA：耗時
多重採樣抗鋸齒MSAA：將每個像素拆分成多個片段，渲染前結合成單個像素
幀緩衝：渲染後的圖像存儲在幀緩衝(frame buffer)的顏色位圖緩衝裏。顯示硬件週期性讀取緩衝。
-雙緩衝：硬件讀取緩衝時，渲染引擎更新另一個緩衝
-三緩衝：硬件讀取緩衝A時，若已經渲染完畢緩衝B，則可以渲染緩衝C，而不需要等A讀取完
深度緩衝：全屏緩衝，每個像素有深度數據。每個片段有z座標，通過對比深度緩衝決定寫入幀緩衝或是丟棄，寫入幀緩衝時，更新深度緩衝
-深度衝突：當兩個平面很接近時，由於表達精度不夠造成像素刺穿的情況
-裁剪空間的z深度是觀察空間z座標的倒數，是非均勻分佈的，越遠離相機，越容易產生深度衝突
-w緩衝：使用觀察空間的z座標。存儲的時裁剪空間的座標，再算倒數
模型->世界->觀察->裁剪空間->屏幕空間->幀緩衝
2. 渲染
2.1 渲染管道
工具階段：處理網格和表面材質。
資產調節階段：資產調節管道（asset conditioning pipeline ACP）鏈接asset，生成靜態場景數據（如BSP樹）、靜態光照
應用程序階段（CPU）：處理網格實例和子網格，每個子網格關聯至一個材質
幾何階段（GPU）：網格頂點變換、照明、投影至其次裁剪空間、使用幾何着色器處理三角形，裁剪三角形
光柵化階段（GPU）：三角形分解爲片段，片段着色器着色，深度測試、alpha測試、模板測試後輸出到幀緩衝
2.2 GPU管道
頂點着色器：可編程的。變換着色、光照頂點，如透視投影、光照、蒙皮、修改頂點位置等等。輸入是世界座標頂點位置、法線，輸出是其次裁剪空間的頂點座標和法線。頂點可以存取紋理數據（頂點紋理拾取vertex texture fetch VTF）
幾何着色器：可編程的。處理以其次裁剪座標表示的圖元，能剔除或修改圖元，生成新的圖元，如陰影體積拉伸、動態鑲嵌、布料模擬、線段分型細分模擬閃電效果等等。
流輸出：將數據寫回內存，並回到管道初始進行處理（重歷頂點着色器和幾何着色器）。如頭髮樣條在頂點着色器上進行物理模擬，幾何着色器上變成頭髮線段，流輸出後重新在管道中渲染頭髮線段
裁剪：可配置的。在平截頭體之外的三角面片切掉
屏幕映射：變換到屏幕空間
三角建立、遍歷：將三角面片分解爲片段，光柵化，生成片段屬性。
提前深度測試：可配置的。丟棄部分片段
像素着色器：可編程的。輸入是片段屬性，輸出是片段顏色，也可丟棄片段，此時不輸出
合併、混合階段：可配置的。光柵運算階段（raster operation stage）。深度測試、alpha測試、模板測試。根據alpha混合片段顏色。先渲染不透明物體到幀緩衝，然後將半透明表面從後往前排序渲染
2.3 着色器
着色語言：
-Cg: C for graphics
-HLSL: Dx
-GLSL: OpenGL
內存訪問：不能直接讀寫內存，只能通過寄存器和紋理貼圖
寄存器：128位，能存放4個32位的整數、浮點數
-輸入寄存器：GPU自動設置值，如頂點座標等等
-常數寄存器：也可作爲輸入，如觀察矩陣、投影矩陣、光照參數等等
-臨時寄存器：着色器內部存儲中間結果
-輸出寄存器：着色器填寫。GPU會將一些輸出寄存器寫入緩存，防止重複計算
紋理貼圖：能用渲染到紋理（render to texture RTT）將數據寫入紋理，並將場景渲染至屏幕外幀緩衝，後續的渲染階段把幀緩衝作爲紋理貼圖使用
效果文件：Cg中爲CgFX，GLSL中爲COLLADA文件。定義struct，着色器程序（函數），全局變量；定義多個技術（technique），包含主版本和回退版本技術供低級圖形硬件使用；技術中定義多個pass，描述如何渲染一幀。pass中包含頂點、幾何、像素着色器程序函數的引用
2.4 應用程序階段
遍歷可見的網格，對子網格材質對，以材質規格設置渲染狀態，並調用底層的繪製函數（這些函數構建了GPU命令表），提交圖元至GPU
2.4.1 可見性判別：剔除（cull）不可見的物體
平截頭體剔除：包圍體積（包圍球體）判斷
遮擋剔除(occlusion culling)：
-預計算潛在可見集（potentially visible set PVS）：將場景切割成區域，提供相機在該區域的可見其他區域列表。脫機或美工指定。自動方法：每個區域挑視點渲染場景，不同區域物體用不同顏色編碼，掃描幀緩衝得到可見區域表
-入口（portal）：窗戶、門等。入口建立平截頭體
-遮擋體積、反入口（anti-portal）：被物體遮擋的體積
2.4.2 提交圖元至GPU
渲染狀態、硬件狀態（render state）：GPU管道內所有可配置參數，如世界觀察矩陣、光源方向、紋理綁定、深度測試是否啓用、alpha混合選項
狀態泄露：忘記設置渲染狀態，使用髒渲染狀態數據，得到錯誤渲染結果
渲染狀態是全局的，渲染狀態改變的次數越少越好。按渲染狀態排序後的結果繪製。通過深度預渲染（z prepass）防止overdraw，即一個像素繪製多次。
渲染場景兩次：1. 按深度從前到後的順序渲染深度緩衝，此時關閉着色器，僅僅更新深度緩衝
2.按渲染狀態排序，參照深度緩衝的結果繪製幀緩衝，最少的改變渲染顏色
3.從後至前的順序渲染半透明表面，此時會頻繁的切換渲染狀態
2.4.3 場景圖
快速排序、剔除物體
-四叉樹：二維，遞歸的把空間分割成象限，葉子節點有均勻的圖元數，平截頭體剔除
-八叉樹：三維版本
-包圍球樹：圖元分成小組，計算小組的包圍球，再將小組合併成大組，算大組的包圍球，遞歸至整個場景。平截頭體剔除
-BSP樹：遞歸的把場景分成兩半，分割平面任意方向。平截頭體剔除、排序
-kd樹：BSP樹的變種，依次與k維空間的軸對齊（先以x座標分割，再以y座標分割）
3. 光照
3.1 基於圖像的光照
-法線貼圖：存在RGB中，由於值域不同，所以要加偏移量
-高度貼圖：灰階。方法有視差貼圖法（parallax mapping）和浮雕貼圖法（relief mapping）。能自遮擋和自陰影
-鏡面、光澤貼圖：存儲鏡面反射參數（反射率、鏡面冪）貼圖（specular map），模擬汗水。只有反射率的有時叫光澤貼圖（gloss map）、鏡面遮罩（specular mask），0表示沒有鏡面效果的部分。只有鏡面冪的叫鏡面冪貼圖（specular power map），可控制鏡面高光的集中程度
-環境貼圖：有如全景照片，低成本反射渲染用到。球面環境貼圖、立方體環境貼圖
-三維紋理：一系列二維紋理，之間是連續的。三維紋理渲染的大理石球體，切面的貼圖連續
3.2 高動態範圍光照（high dynamic range HDR）
真是世界中光強可無限大，此技術允許保存>1強度的光，而不是限制在0-1之間。在顯示之前做一個色調映射（tone mapping），歸一化光線強度。可實現bloom effect，強光從物體邊緣溢出。HDR表示方法：RGB各用32位存儲，或者LUV中UV用8位，L用16位且以log2X存儲，以放大存儲範圍
3.3 全局光照（global illumination GI）
3.3.1 陰影
半影（penumbra）
陰影體積：從光源的位置到物體輪廓邊緣，輪廓邊緣沿光線方向延伸，生成一個陰影體積。使用特殊的全屏緩衝：模板緩衝（stencil buffer），它對應屏幕每個像素存儲一個整數值，渲染時模板緩衝可作爲遮罩。
首先渲染沒有陰影的場景，填充深度緩衝。渲染陰影體積並設置模板緩衝，正向的三角形+1，反向的-1。將模板緩衝中非0的區域加深顏色。
陰影貼圖：從光源的視角進行深度測試，把深度信息存儲在陰影貼圖紋理裏。再以正常方式渲染場景，對於在陰影貼圖中被遮擋的片段加深顏色。若片段到光源的距離比陰影貼圖裏的遠，則表明被遮擋。
3.3.2 環境遮擋（ambient occlusion AO）
渲染接觸陰影的技術。接觸陰影是指場景僅以環境光照明時產生的軟陰影。如管子內部的陰影、房子和地面接觸點的陰影等。計算方法是以該點爲圓心畫球體，求球體表明光照面積和球體面積的百分比。AO脫機計算成紋理，與觀察方向與入射光方向無關。
3.3.3 鏡像：環境貼圖、或者把攝像機從反射點渲染一張貼圖
3.3.4 焦散（caustics）：水下的高光。投影半隨機亮點的紋理至物體表面
3.3.5 次表面反射（subsurface scattering SSS）：光線在表面下散射。柔軟的效果如玉。
根據一張貼圖度量光線需要經過多少距離才能通過遮擋物，同時漫反射光照強度與光線經過物體到另一面的距離成反比，便可實現淡淡泛光的感覺
3.3.6 預計算輻射傳輸（precomputed radiance transfer PRT）：預先計算來自所有方向的入射光和表面的互動
（反射等）並存到入射光查找表中。運行時迅速得到準確的光照。
3.4 延遲渲染
將光照計算從觀察空間延遲到屏幕空間。先迅速生成不含光照的場景，並將所有用於光照計算的信息存儲在幾何緩衝（G buffer）中，如深度、表面法向量、顏色、PRT係數等。完成場景渲染後用幾何緩衝的信息計算光照和着色。這樣更高效。
4. 其他渲染系統
4.1 粒子效果：由多個quad組成，都是面向攝像機的billboard
4.2 貼花（decal）
4.3 天空：先將幀緩衝填滿天空的紋理，再渲染三維物體。天空的z值最大。天空盒：盒子中心位於攝像機的位置，z值最大
4.4 地形：高度場地形（height field terrain）存爲灰階紋理貼圖，每個區域三角形數量按攝像機距離調整。地形的貼圖是紋理混合
4.5 水體
5. 覆蓋層、UI層
覆蓋層在主場景之後渲染，並關上深度測試確保他們會顯示在三維場景之上。
歸一化屏幕座標：一個軸的範圍是0-1，適應不同分辨率。但不能兩個軸都設爲0-1
6. 伽馬校正
陰極射線管CRT屏幕中，亮度值a和實際的亮度b是非線性的。b=a^gamma，gamma>1。校正此情況，顏色傳至CRT前會做個逆變換，a_new = a^(1/gamma)
7. 全屏後處理
把全屏內容傳送至像素着色器渲染。如動態模糊、景深模糊、暈影（vignette，屏幕邊角變灰）、着色（將屏幕上的顏色後處理）