Разработка программного 3D-пайплайна для обработки полигонов остаётся актуальной задачей, несмотря на развитие аппаратных решений для графики. Такие программные решения позволяют создавать собственные механизмы трансформации, освещения и отсечения (TLC: Transform, Light & Clip) с высокой степенью оптимизации, что особенно полезно в тех случаях, когда аппаратная поддержка ограничена либо требуется особая гибкость. В основе программного пайплайна лежит последовательная обработка вершин и треугольников, построенных на основе индексированных примитивов, таких как индексированные списки и треугольные полосы. Индексация позволяет избежать повторной обработки повторяющихся вершин, экономит память и способствует оптимальному кэшированию данных процессором. Важным этапом является преобразование всех вершин из пространства модели в пространство просмотра.
Для этого перемножаются матрицы моделирования и вида, образуя матрицу Model-View. Возникает необходимость работать с ортонормированной версией матрицы для нормалей, чтобы сохранить корректные направления и избежать искажений при трансформациях, особенно при наличии сдвигов и масштабирований, негативно влияющих на освещение. Для ускорения преобразований, особенно на современных процессорах с поддержкой SIMD-инструкций, выгодно выполнять массовые операции с вершинами, минимизируя условные переходы и сохраняя агрессивный конвейер обработки. Технически, вершины загружаются в специальную структуру PipelineVert, содержащую позицию и нормаль в пространстве просмотра, цветовые и текстурные координаты, а также флаги отсечения, которые указывают, в отношении каких плоскостей объёмного отсечения (фрустра) вершина выходит за пределы видимой области. Это позволяет эффективно отсеивать невидимые объекты и вершины еще на ранних этапах пайплайна, экономя процессорное время.
Тестирование ограничивающего объема (AABB) объекта производится в пространстве просмотра для быстрого исключения объектов полностью вне поля зрения, что значительно снижает нагрузку. Дальнейшая проверка флагов отсечения позволяет определить, какие плоскости необходимо учитывать при последующем отсечении треугольников. Следующим шагом идет обработка треугольников — проверки на полное невидимость, осуществляется путем объединения флагов трех вершин, и если пересечение указывает на выход за одну и ту же плоскость отсечения, треугольник пропускается. Параллельно проводится проверка на обратную ориентацию (backface culling) по проекции на экран, что дополнительно исключает невидимые с фронта поверхности. Освещение выполняется локально для вершин, которые еще не были обработаны, что значительно снижает количество вычислений, поскольку большинство вершин не требует повторного просчёта при отбраковке обратных граней.
Освещение происходит в пространстве просмотра, что обеспечивает корректное взаимодействие с источниками света, учитывая масштабирование и сдвиги модели. При этом, если трансформации не содержат деформаций, можно выполнять освещение в пространстве модели, однако это редко оправдано ввиду ограничений. После освещения и перерасчёта текстурных координат, которые могут обновляться в результате процедурных методов наложения текстур, треугольник проверяется на необходимость отсечения. Если он целиком проходит в поле зрения, индексы добавляются в список видимых для последующей отрисовки. В противном случае, треугольник подвергается отсечению по плоскостям видового объёма, с созданием новых вершин в местах пересечения с плоскостями отсечения и обновлением индексов треугольников.
Особое внимание уделяется тому, чтобы отсекание на гранях экрана происходило в экранном пространстве, что предотвращает возможные ошибки округления и выход за границы буфера изображения. Такой подход минимизирует риск повреждения памяти и обеспечивает корректную отрисовку. В целом, программный пайплайн выстраивается с учетом максимального использования преимуществ современных CPU, таких как глубокая конвейеризация, отсутствие ветвлений и минимизация обращений к памяти. Использование индексированных списков и предобработки вершин сокращает избыточные вычисления и оптимизирует использование кэша L1 и L2. Также существенным моментом является компромисс в структуре данных — PipelineVert достаточно объемен, но обеспечивает лучший баланс между производительностью и функциональностью, позволяя хранить достаточно информации для последующих этапов.
Для систем с ограниченными ресурсами, например консолей с малыми кэшами, пайплайн адаптируется к меньшему количеству одновременно обрабатываемых вершин, с возможностью асинхронной передачи данных и DMA для минимизации простоев CPU. Выполнение всего набора операций с вершинами за один проход, включая распаковку, трансформации и отсечение, существенно увеличивает пропускную способность. В сравнении с наивным подходом, при котором трансформация, освещение и отсечение выполняются по отдельности с множественными непоследовательными обращениями к памяти и избыточными вычислениями, описанный метод демонстрирует значительное сокращение затрат процессов и более эффективное использование кэша. Такой подход также способствует меньшей тревожности для процессора, позволяя оптимизировать использование конвейера, предотвращая частые ветвления и обеспечивая предсказуемость исполнения. Это весьма важно для современных архитектур процессоров с параллельными вычислительными блоками.
Имеется возможность дальнейшей оптимизации за счёт разделения структуры PipelineVert на две части — для внутренней обработки и для передачи на аппаратный рендеринг — что ускоряет совместимость с API Direct3D и улучшает производительность графического конвейера на этапе вывода изображения. Понимание этих принципов особенно полезно для разработчиков программного рендеринга, обучающихся принципам работы графики на низком уровне и желающих самостоятельно реализовывать сложные эффекты, изменять алгоритмы освещения или осуществлять специальные преобразования, которые аппаратные решения не поддерживают из коробки. Несмотря на доступность и универсальность современных GPU, программные TLC пайплайны сохраняют свою значимость в задачах, связанных с процедурной генерацией геометрии, персонажным скиннингом, нестандартным освещением и другими подобными вычислениями. В конечном итоге, грамотная организация пайплайна с акцентом на последовательность обработки вершин, эффективное управление памятью и минимизацию условных переходов является основой для создания высокопроизводительных и качественных 3D приложений.
