cpu和gpu如何互動以呈現計算機圖形？

斯肯內爾攝。...

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.

斯肯內爾攝。

今天的問答環節是由SuperUser提供的，SuperUser是Stack Exchange的一個分支，它是一個由Q&a網站組成的社群驅動分組。

問題

超級使用者讀者Sathya提出了一個問題：

在這裡你可以看到一個小的C++程式的截圖三角形.exe基於openglapi的旋轉三角形。

誠然，這是一個非常基本的例子，但我認為它適用於其他圖形卡操作。

我只是好奇，想知道雙擊的整個過程三角形.exe在windowsxp下，直到我能看到顯示器上旋轉的三角形。發生了什麼，CPU（首先處理.exe）和GPU（最後輸出螢幕上的三角形）是如何互動的？

我想顯示這個旋轉三角形主要涉及以下硬體/軟體：

硬體

硬碟驅動器
系統記憶體（RAM）
中央處理器
影片儲存器
圖形處理器
液晶顯示器

軟體

作業系統
DirectX/OpenGL API
Nvidia驅動程式

有人能解釋一下這個過程嗎，也許可以用一些流程圖來說明一下？

它不應該是一個涵蓋每一個步驟的複雜解釋（估計超出了範圍），而是一箇中級It人員可以遵循的解釋。

我敢肯定，很多自稱IT專業人士的人都無**確描述這個過程。

答案

儘管有多名社群成員回答了這個問題，但奧利弗·薩爾茨堡（Oliver Salzburg）還是不遺餘力地回答了這個問題，不僅給出了詳細的回答，而且還附上了出色的圖表。

JasonC提供的圖片，可在此處作為牆紙使用。

他寫道：

我決定寫一點關於程式設計方面以及元件如何相互通訊的內容。也許它能給某些領域帶來一些啟示。

簡報

哪怕是你在問題中釋出的一張圖片，也能畫在螢幕上，這需要什麼呢？

在螢幕上畫三角形有很多方法。為簡單起見，假設沒有使用頂點緩衝區。（頂點緩衝區是儲存座標的記憶體區域）假設程式只是告訴圖形處理管道一行中的每個頂點（頂點只是空間中的一個座標）。

但是，在我們能畫出任何東西之前，我們首先要執行一些腳手架。我們稍後再看原因：

// 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();

那是怎麼回事？

當你編寫一個程式，希望使用圖形卡，你通常會選擇某種介面的驅動程式。驅動程式的一些眾所周知的介面包括：

OpenGL
Direct3D
庫達

對於這個例子，我們將使用OpenGL。現在，驅動程式介面為您提供了使程式與圖形卡（或驅動程式，然後驅動程式與圖形卡）對話所需的所有工具。

這個介面一定會給你一些工具。這些工具採用API的形式，您可以從程式中呼叫它。

這個API就是我們在上面的例子中看到的。讓我們仔細看看。

腳手架

在你真正繪製任何實際的圖形之前，你必須先進行一次設定。您必須定義您的視口（實際渲染的區域）、您的透檢視（相機進入您的世界）、您將使用什麼樣的抗鋸齒（平滑三角形的邊緣）…

但我們不會看這些。我們只看一眼你每一幀都要做的事情。比如：

清除螢幕

圖形管道不會為您清除每一幀的螢幕。你得說出來。為什麼？這就是為什麼：

如果你不清除螢幕，你只需在每一幀上畫。這就是為什麼我們用gl\u COLOR\u BUFFER\u位集呼叫glClear。另一位（GL\u DEPTH\u BUFFER\u位）告訴OpenGL清除depthbuffer。此緩衝區用於確定哪些畫素位於其他畫素的前面（或後面）。

轉變

Image source

變換是我們獲取所有輸入座標（三角形的頂點）並應用ModelView矩陣的部分。這是解釋模型（頂點）如何旋轉、縮放和平移（移動）的矩陣。

接下來，我們應用投影矩陣。這會移動所有座標，使它們正確面對我們的相機。

現在我們再次變換，使用我們的視口矩陣。我們這樣做是為了將模型縮放到監視器的大小。現在我們有一組頂點可以渲染了！

我們稍後再談轉型。

繪圖

為了繪製一個三角形，我們可以簡單地告訴OpenGL透過呼叫glBegin with the GL\u triangles來開始一個新的三角形列表不變。在那裡還有其他你可以畫的形式。像三角帶或三角扇子。這些主要是最佳化，因為它們需要較少的CPU和GPU之間的通訊來繪製相同數量的三角形。

之後，我們可以提供一個由3個頂點組成的列表，這些頂點應該組成每個三角形。每個三角形使用3個座標（就像我們在三維空間中一樣）。此外，我還透過在呼叫glVertex3f之前呼叫glcolor3f，為每個頂點提供一種顏色。

3個頂點（三角形的3個角）之間的著色由OpenGla自動計算。它將在多邊形的整個面上插值顏色。

相互作用

現在，當你點選視窗。應用程式只需捕獲發出單擊訊號的視窗訊息。然後您可以在您的程式中執行任何您想要的操作。

一旦你想開始與你的3D場景互動，這就變得困難多了。

您首先必須清楚地知道使用者單擊視窗的畫素。然後，考慮到你的視角，你可以計算光線的方向，從滑鼠點選進入你的場景。然後可以計算場景中是否有任何物件與該光線相交。現在您知道使用者是否單擊了一個物件。

那麼，如何使它旋轉？

轉型

我知道通常應用的兩種型別的轉換：

基於矩陣的變換
骨基轉化

區別在於骨骼影響單個頂點。矩陣總是以相同的方式影響所有繪製的頂點。讓我們看一個例子。

例子

早些時候，我們在繪製三角形之前載入了單位矩陣。單位矩陣是一種根本不提供變換的矩陣。所以，無論我畫什麼，都只受我的視角影響。所以，三角形根本不會旋轉。

如果我現在想旋轉它，我可以自己（在CPU上）做數學運算，然後用其他座標（旋轉的）呼叫glVertex3f。或者我可以讓GPU做所有的工作，在繪圖前呼叫glrotatef：

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

當然，數量只是一個固定值。如果你想設定動畫，你必須跟蹤數量並每幀增加一次。

那麼，等等，剛才的駭客帝國談話怎麼了？

在這個簡單的例子中，我們不必關心矩陣。我們簡單地稱之為glRotatef，它為我們處理所有這些。

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，謝謝你！