当前位置：首页 > news >正文

【Unity Shader学习笔记】（二）图形显示系统

news 2025/9/3 8:14:04

一、图形显示系统的基本流程

帧缓存：是显卡内存中的一块特定区域，专门用来存储即将要显示在屏幕上的一整帧图像的所有像素数据。渲染管线的最终目的就是把计算好的颜色值写入这个内存区域。每个像素的颜色信息（如RGBA值）都按顺序存放在这里。为了保证画面流畅，通常至少会有两个帧缓存：
- 前台缓存：正在被显示控制器读取并发送到显示器的帧缓存。这是当前屏幕上你正在看到的内容。
- 后台缓存：正在被图形渲染管线绘制的下一帧图像。程序（如游戏）总是在后台缓存上进行绘制。
显示控制器：它是显卡上的一个专用硬件组件，也称为视频定时控制器。他的任务就是从画室（显存）里拿起已经完成的画（前台缓存），以精确的速度跑到画布（显示器）前，严格按照从上到下、从左到右的顺序，把画上的每一个点复制到画布上。他每秒要重复这个过程60、144甚至更高次数（取决于刷新率）。
显示器：就是我们看到的物理屏幕（LCD、OLED等），接收显示控制器发来的信号，并根据信号指令控制每个物理像素点的亮度和颜色，从而将数字图像变为可见光。

在计算机图形学的早期，显示图像是一项复杂而精密的机械过程。

核心原理：电子枪像画笔一样，从屏幕左上角开始，一行一行地从左到右、从上到下地扫描整个屏幕，通过激发荧光粉来发光形成图像。
关键挑战：这个过程不能中断。一旦电子枪开始扫描，就必须持续不断地为它提供数据，否则画面就会闪烁或不完整。
解决方案：早期的计算机没有专门的图形处理器。沉重的负担全部压在中央处理器上。CPU需要亲自计算每个像素的颜色，并在电子枪扫描到那个像素的精确时刻，将颜色数据通过内存总线发送给显示器。
比喻：这就像让一位交响乐指挥家（CPU） 不仅要指挥整个乐团，还要亲自去拉第一小提琴，并在间隙跑去吹小号。效率低下，严重限制了图形能力的发展。

为了解决上述瓶颈，计算机架构发生了革命性的变化：显卡诞生了。

核心进化：将所有的图形计算任务从CPU卸载到一个专用的硬件上——这就是显卡。
工作流程：
1. CPU（老板）：发出高级指令，比如“在这个坐标画一个角色模型”。
2. GPU（图形经理）：接收指令，调动其庞大的专业团队（大量核心）进行并行计算，完成建模、渲染、着色等所有复杂工作，将最终图像画在帧缓存里。
3. 显示控制器（信使）：以恒定节奏从帧缓存中读取数据，转换为信号发送给显示器。
4. 显示器（画布）：最终呈现图像。
意义：这种分工解放了CPU，让它能更好地处理系统逻辑、人工智能等更擅长的任务，而GPU则专注于海量的数学运算，使得复杂、逼真的实时图形成为可能。

GPU（Graphical Processing Unit）又称显示核心、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上进行图像运算工作的微处理器。

CPU和GPU的设计理念完全不同，这造就了它们截然不同的优缺点。

特性	CPU	GPU
核心设计	少量强大的“大脑”	成千上万个简单的“小学生”
擅长领域	复杂逻辑控制、串行任务、通用计算	大规模并行计算、简单但重复的任务
比喻	一位博士，能独立解决非常复杂的数学难题。	一万个小学生，每人只做一道简单的加法题，但一秒内就能全部算完。
优点	灵活性高，处理复杂任务能力强	核多力量大，极其擅长浮点运算和并行计算，图形渲染速度极快
缺点	管理控制能力弱（让一万个小学生协同完成一个复杂项目非常困难），功耗相对较高	不擅长处理分支判断多、逻辑复杂的任务

如今的GPU市场主要由三大巨头主导：

英特尔：集成显卡之王。其GPU芯片通常与CPU封装在同一块芯片上，功耗低，足以满足日常办公、高清视频播放和轻度游戏的需求，是市场份额最大的图形处理器供应商。
英伟达：独立显卡的领导者。以其高性能的GeForce系列游戏显卡和专业领域的Quadro系列著称。技术在业界领先，尤其是其CUDA并行计算平台和实时光线追踪技术，深刻影响了行业的发展。
AMD：有力的竞争者。收购了曾经的图形巨头ATI，提供Radeon系列独立显卡。其技术路线与英伟达竞争激烈，性价比突出。同时，AMD也生产将CPU和GPU高效融合的APU产品。