Your computer’s Central Processing Unit (CPU) and Graphics Processing Unit (GPU) interact every moment you’re using your computer to deliver you a crisp and resp***ive visual interface. Read on to better understand how they work together.

斯肯内尔摄。

今天的问答环节是由SuperUser提供的，SuperUser是Stack Exchange的一个分支，它是一个由Q&a网站组成的社区驱动分组。

问题

超级用户读者Sathya提出了一个问题：

在这里你可以看到一个小的C++程序的截图三角形.exe基于openglapi的旋转三角形。

诚然，这是一个非常基本的例子，但我认为它适用于其他图形卡操作。

我只是好奇，想知道双击的整个过程三角形.exe在windowsxp下，直到我能看到显示器上旋转的三角形。发生了什么，CPU（首先处理.exe）和GPU（最后输出屏幕上的三角形）是如何交互的？

我想显示这个旋转三角形主要涉及以下硬件/软件：

硬件

• 硬盘驱动器
• 系统内存（RAM）
• 中央处理器
• 视频存储器
• 图形处理器
• 液晶显示器

软件

• 操作系统
• DirectX/OpenGL API
• Nvidia驱动程序

有人能解释一下这个过程吗，也许可以用一些流程图来说明一下？

它不应该是一个涵盖每一个步骤的复杂解释（估计超出了范围），而是一个中级It人员可以遵循的解释。

我敢肯定，很多自称IT专业人士的人都无**确描述这个过程。

答案

尽管有多名社区成员回答了这个问题，但奥利弗·萨尔茨堡（Oliver Salzburg）还是不遗余力地回答了这个问题，不仅给出了详细的回答，而且还附上了出色的图表。

JasonC提供的图片，可在此处作为墙纸使用。

他写道：

我决定写一点关于编程方面以及组件如何相互通信的内容。也许它能给某些领域带来一些启示。

演示文稿

哪怕是你在问题中发布的一张图片，也能画在屏幕上，这需要什么呢？

在屏幕上画三角形有很多方法。为简单起见，假设没有使用顶点缓冲区。（顶点缓冲区是存储坐标的内存区域）假设程序只是告诉图形处理管道一行中的每个顶点（顶点只是空间中的一个坐标）。

但是，在我们能画出任何东西之前，我们首先要运行一些脚手架。我们稍后再看原因：

// Clear The Screen And The Depth Buffer glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // Reset The Current Modelview Matrix glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); // Drawing Using Triangles glBegin(GL_TRIANGLES); // Red glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f); // Top Of Triangle (Front) glVertex3f( 0.0f, 1.0f, 0.0f); // Green glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f); // Left Of Triangle (Front) glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 1.0f); // Blue glColor3f(0.0f,0.0f,1.0f); // Right Of Triangle (Front) glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 1.0f); // Done Drawing glEnd();

那是怎么回事？

当你编写一个程序，希望使用图形卡，你通常会选择某种接口的驱动程序。驱动程序的一些众所周知的接口包括：

• OpenGL
• Direct3D
• 库达

对于这个例子，我们将使用OpenGL。现在，驱动程序接口为您提供了使程序与图形卡（或驱动程序，然后驱动程序与图形卡）对话所需的所有工具。

这个接口一定会给你一些工具。这些工具采用API的形式，您可以从程序中调用它。

这个API就是我们在上面的例子中看到的。让我们仔细看看。

脚手架

在你真正绘制任何实际的图形之前，你必须先进行一次设置。您必须定义您的视口（实际渲染的区域）、您的透视图（相机进入您的世界）、您将使用什么样的抗锯齿（平滑三角形的边缘）…

但我们不会看这些。我们只看一眼你每一帧都要做的事情。比如：

清除屏幕

图形管道不会为您清除每一帧的屏幕。你得说出来。为什么？这就是为什么：

如果你不清除屏幕，你只需在每一帧上画。这就是为什么我们用gl\u COLOR\u BUFFER\u位集调用glClear。另一位（GL\u DEPTH\u BUFFER\u位）告诉OpenGL清除depthbuffer。此缓冲区用于确定哪些像素位于其他像素的前面（或后面）。

转变

Image source

变换是我们获取所有输入坐标（三角形的顶点）并应用ModelView矩阵的部分。这是解释模型（顶点）如何旋转、缩放和平移（移动）的矩阵。

接下来，我们应用投影矩阵。这会移动所有坐标，使它们正确面对我们的相机。

现在我们再次变换，使用我们的视口矩阵。我们这样做是为了将模型缩放到监视器的大小。现在我们有一组顶点可以渲染了！

我们稍后再谈转型。

绘图

为了绘制一个三角形，我们可以简单地告诉OpenGL通过调用glBegin with the GL\u triangles来开始一个新的三角形列表不变。在那里还有其他你可以画的形式。像三角带或三角扇子。这些主要是优化，因为它们需要较少的CPU和GPU之间的通信来绘制相同数量的三角形。

之后，我们可以提供一个由3个顶点组成的列表，这些顶点应该组成每个三角形。每个三角形使用3个坐标（就像我们在三维空间中一样）。此外，我还通过在调用glVertex3f之前调用glcolor3f，为每个顶点提供一种颜色。

3个顶点（三角形的3个角）之间的着色由OpenGla自动计算。它将在多边形的整个面上插值颜色。

相互作用

现在，当你点击窗口。应用程序只需捕获发出单击信号的窗口消息。然后您可以在您的程序中运行任何您想要的操作。

一旦你想开始与你的3D场景交互，这就变得困难多了。

您首先必须清楚地知道用户单击窗口的像素。然后，考虑到你的视角，你可以计算光线的方向，从鼠标点击进入你的场景。然后可以计算场景中是否有任何对象与该光线相交。现在您知道用户是否单击了一个对象。

那么，如何使它旋转？

转型

我知道通常应用的两种类型的转换：

• 基于矩阵的变换
• 骨基转化

区别在于骨骼影响单个顶点。矩阵总是以相同的方式影响所有绘制的顶点。让我们看一个例子。

例子

早些时候，我们在绘制三角形之前加载了单位矩阵。单位矩阵是一种根本不提供变换的矩阵。所以，无论我画什么，都只受我的视角影响。所以，三角形根本不会旋转。

如果我现在想旋转它，我可以自己（在CPU上）做数学运算，然后用其他坐标（旋转的）调用glVertex3f。或者我可以让GPU做所有的工作，在绘图前调用glrotatef：

// Rotate The Triangle On The Y axis glRotatef(amount,0.0f,1.0f,0.0f);

当然，数量只是一个固定值。如果你想设置动画，你必须跟踪数量并每帧增加一次。

那么，等等，刚才的黑客帝国谈话怎么了？

在这个简单的例子中，我们不必关心矩阵。我们简单地称之为glRotatef，它为我们处理所有这些。

glRotate produces a rotation of angle degrees around the vector x y z . The current matrix (seeglMatrixMode) is multiplied by a rotation matrix with the product replacing the current matrix, as ifglMultMatrix were called with the following matrix as its argument:

x 2 ⁡ 1 – c + c x ⁢ y ⁡ 1 – c – z ⁢ s x ⁢ z ⁡ 1 – c + y ⁢ s 0 y ⁢ x ⁡ 1 – c + z ⁢ s y 2 ⁡ 1 – c + c y ⁢ z ⁡ 1 – c – x ⁢ s 0 x ⁢ z ⁡ 1 – c – y ⁢ s y ⁢ z ⁡ 1 – c + x ⁢ s z 2 ⁡ 1 – c + c 0 0 0 0 1

好吧，谢谢你！

结论

显而易见的是，OpenGL有很多话题。但它什么也没告诉我们。通讯在哪里？

OpenGL在这个例子中告诉我们的唯一一件事就是它何时完成。每次手术都需要一定的时间。有些手术需要很长的时间，有些手术很快。

发送一个顶点到GPU将是如此之快，我甚至不知道如何表达它。从CPU向GPU发送数千个顶点，每一帧，很可能根本没有问题。

清除屏幕可能需要毫秒或更糟的时间（请记住，绘制每一帧通常只有大约16毫秒的时间），具体取决于视口的大小。要清除它，OpenGL必须以你想要清除的颜色绘制每个像素，可能是数百万像素。

除此之外，我们几乎只能向OpenGL询问图形适配器的功能（最大分辨率、最大抗锯齿、最大颜色深度……）。

但我们也可以用像素填充纹理，每个像素都有特定的颜色。因此，每个像素都有一个值，纹理是一个巨大的“文件”，里面充满了数据。我们可以将其加载到图形卡（通过创建纹理缓冲区），然后加载一个着色器，告诉该着色器使用我们的纹理作为输入，并在“文件”上运行一些非常繁重的计算。

然后我们可以将计算结果（以新颜色的形式）渲染成新的纹理。

这就是你可以让GPU在其他方面为你工作的方式。我想CUDA在这方面也有类似的表现，但我从来没有机会与之合作。

我们真的只触及了整个主题。3D图形编程真是个怪兽。

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