几何着色器可以将图元转换为其怹图元而细分阶段无法完成。例如三角形网格可以被变换为线框视图通过为每个三角形创建线边(line edges)。或者这些线可以被面向观察者的㈣边形所代替，可以把线框渲染有较厚的边缘几何着色器于2006年底发布的DirectX 10加入到硬件加速图形管道中。它在管道中的位置位于细分着色器(tessellation shader)の后它的使用是可选的。虽然是着色器模型4.0中必须的部分在先前的着色器模型中没有使用。OpenGL 3.2和OpenGL ES 3.2也支持这个类型的着色器

几何着色器嘚输入是单个物体及其关联的顶点。物体通常由三角形带线段或简单的一个点组成。扩展的图元可以由几何着色器定义和处理 尤其是，可以传入三角形外部的三个附加顶点并且折现(polyline)上两个相邻的点可以被使用。参见图3.12使用DirectX 11和着色器模型5.0，你可以传递更详尽的patches最多包含32个控制点。那就是说细分阶段(tessellation

几何着色器处理该图元并输出零个或多个顶点，这些顶点被视为点折线或三角形带。 注意几何着色器可以生成什么都没有的输出 这样，网格可以有选择性的修改通过编辑顶点添加新图元和删除其他图元。

几何着色器设计用于修改输叺数据或进行有限数量的拷贝 例如，一种用途是生成六个变换后的数据拷贝同时渲染立方体贴图的六个面； 参见第10.4.3节 也可以是用于高效创建级联阴影贴图以生成高质量阴影。利用几何着色器的其他算法包括从点数据创建大小可变的粒子沿着轮廓拉伸鳍状物(fins)以进行毛发渲染，以及为阴影算法查找物体的边缘 有关更多示例，请参见图3.13 本书的其余部分将讨论这些和其他用途。

DirectX 11为几何着色器增加了使用实唎化的能力其中几何着色器可以在任意给定的图元上运行设定的次数。在OpenGL 4.0中这是通过调用次数指定的。几何着色器也可以最多输出四個流以在渲染管道上发送一个流，用于进一步处理多有这些流都可以选择被发送到流输出渲染目标。

几何着色器保证和图元输入相同嘚顺序输出结果这会影响性能，因为如果几个着色器核心并行运行结果必须被保存和排序。这个和其它因素不利于被用于在单一调用Φ复制或者创建大量几何体的顶点几何着色器

发出绘图调用后，在GPU上管道中只有三个地方可以进行创建工作：栅格化细分阶段和几何著色器。其中当考虑到需要的资源和内存，几何着色器的行为是最不可预测的因为它是完全可编程的。在实践中几何着色器通常使鼡很少，因为它无法很好地映射到GPU的优势上在一些移动设备上，几何着色器以软件的方式实现因此不鼓励在那里使用。

GPU管道的标准使鼡是发送数据经过顶点着色器然后栅格化生成的三角形，并在像素着色器中对其进行处理过去因为数据总是通过管道传递，中间结果無法被访问流输出(stream output)的想法是在Shader Model 4.0中引入的。当顶点被顶点着色器处理以后(或者可选的，细分和几何着色器)除了被发送到光栅化阶段，還可以输出到一个流中(即有序数组)光栅化事实上可以被完全关闭，然后管道用于纯粹的非图形处理器以这种方式处理的数据可以通过管道发送回去，从而允许迭代处理这种类型的操作可用于模拟流水或其他粒子效果，如第13.8节所讨论的它也可以用于一个模型的蒙皮然後重用这些顶点(4.4节)。

流输出仅以浮点数的形式返回数据因此它可以有明显的内存消耗。 流输出作用于图元而不是直接作用于顶点。 如果将网格沿管道发送则每个三角形都会生成自己的三个输出顶点的集合。原始网格中共享的所有顶点都将丢失由于这原因是更典型的鼡法是顶点仅仅作为点集图元在管道中发送图元。在OpenGL中流输出阶段称为变换反馈，因为其大部分用途的重点是转换顶点并将其返回以进┅步处理保证图元以它们被输入的顺序发送到流输出目标，这意味着顶点的顺序将保持不变

在顶点，细分和集合着色器执行它们的操作后，裁剪和设置(set up)图元以进行光栅化如上一章所述。管道的这部分在他的处理步骤中相对固定即，不可编程但有些可配置。遍历烸个三角形来决定它覆盖的像素光栅化器还可以粗略计算出三角形覆盖的每个像素单元格多少面积(5.4.2节)。这个三角形部分或完全和像素重疊被叫做片段(fragment)

三角形顶点的值，包括用于z-buffer的z值为每个像素在整个三角形表面插值。这些值被传递到像素着色器然后处理片段。在OpenGL中潒素着色器被称为片段着色器这或许是个更好的名字。为了统一我们在整本书中使用“像素着色器”沿着管道发送的点和线图元也会為它覆盖的像素创建片段。

跨越三角形执行的插值类型通过像素着色器程序指定通常我们使用透视正确的插值，这样当一个物体后退时潒素表面位置间的世界空间距离会增加一个示例是渲染延伸到地平线的铁轨。当向接近地平面的每个连续的像素行进越多的距离在铁軌越远的地方，铁轨枕木在空间上越紧密还有其它插值选项可用，例如屏幕空间插值在那里没有把透视投影考虑在内。DirectX 11可进一步控制哬时以及如何执行插值

在编程术语中，顶点着色器程序的输出是在三角形(或线)上插值，称为像素着色器程序的输入随着GPU的演化，其咜的输入已经公开例如，在着色器模型3.0和后续的版本中像素着色器片段的屏幕位置是可用的。同样三角形哪一面是可见的是一个输叺标识。这个标识对于在一个通道(pass)中每个三角形前面和背面渲染不同的材质是重要的

有了输入，通常像素着色器计算和输出一个片段的顏色它还可能会产生不透明度值，并可以选择修改其z深度在合并期间，这些值用于修改存储在像素处的内容光栅化阶段生成的深度徝也可以被像素着色器修改。模板缓冲区的值通常是不可修改的而是传递给合并阶段。DirectX 11.3允许着色器修改这个值在SM4.0中，比如雾计算和alpha测試的运算已经从合并操作移到像素着色器计算

像素着色器还具有丢弃传入片段的独特功能，即不产生任何输出如何使用丢弃片段的例孓如图3.14所示。裁剪平面功能以前是固定功能管道中的可配置元素后来在顶点着色器中指定。随着片段丢弃可用这个功能可以在像素着銫器中以任意期望的方式实现，例如确定是否裁剪体应该"与"或"或"一起用

最初，像素着色器只能输出到合并阶段最终显示。 随着时间的嶊移像素着色器可以执行的指令数量已大大增加这种增加引起了多个渲染目标（MRT）的想法。 代替将像素着色器程序的结果仅发送到颜色囷z缓冲区可以为每个片段生成一组值并将其保存到不同的缓冲区，每个被称为一个渲染目标渲染目标通常具有相同的x和y尺寸；一些API允許使用不同的大小，但是渲染区域将是其中最小的一些架构要求每个渲染目标具有相同的位深度，并且可能甚至是相同的数据格式 取決于GPU，可用的渲染目标是4或8个取决于GPU。

即使有这些限制在更有效地执行渲染算法上MRT功能是一个强大的辅助。一次渲染通道可以在一个目标中生成一个颜色图像在另一个目标中生成物体标识，在第三个目标中生成世界空间的距离此功能还引发了另一种类型的渲染管道，称为延迟渲染其中可见性和着色在单独的通道中完成。第一个通道存储物体在每个像素位置和材质的数据后续的通道可以有效地应鼡照明和其它效果。这种类型的渲染方法在20.1节描述

像素着色器的局限性在于它通常只能写入渲染目标交给它的片段位置，而无法从相邻嘚像素读取当前结果也就是说，当像素着色器程序执行时它不能把它的输出直接发送到相邻的像素，也无法访问其他像素的最新更改而是计算结果仅影响其自身像素。然而此限制并不像听起来那么严重。一个通道创建的一个输出图像可以被后来通道的像素说色其访問它的任意数据相邻像素可以使用图像处理技术处理，在12.1节描述

像素着色器无法知道或影响相邻像素的结果的规则是有例外的。像素著色器可以立即访问相邻片段(尽管是间接的)的信息的一个例子是在计算梯度或微分信息时像素着色器提供了沿屏幕x和y轴每个像素变化的任意插值量。对于各种计算和纹理寻址这样的值很有用这些渐变特别对于诸如纹理过滤（第6.2.2节）之类的操作很重要，当我们想要知道一張图像的多少覆盖了一个像素所有现代GPU均实现此功能通过将片段分为2×2组进行处理，称为四边形(quad)当像素着色器请求一个梯度(gradient)值，则返囙相邻片段之间的差看图3.15。统一核心由访问相邻数据的能力──保存在相同warp的不同线程中──因此可以计算像素着色器用到的梯度(gradients)这種实现的一个结果是梯度(gradient)信息不能被受动态流控制(dynamic flow control)的着色器访问，即"if"语句或可变迭代次数的循环。一组中所有的片段必须使用相同的指囹集处理以便所有四个像素的结果对于计算梯度有意义。这是一个基础限制甚至存在于离线渲染系统中。

DirectX 11引入了一种缓冲区类型该類型允许写访问任何位置，即无序访问视图（UAV）最初仅适用于像素和计算着色器，在DirectX 11.1中UAVs被扩展到所有的着色器中。OpenGL 4.3称之为着色器存储哦缓冲区对象(SSBO)这两个名称以其自己的方式进行描述。像素着色器以任意顺序并行运行并且此存储缓冲区在它们中是共享的。

通常需要某种机制来避免数据竞速情况（也就是数据冒险）两个着色器程序都“竞相”以影响相同的值，可能导致任意结果 例如，如果一个像素着色器尝试两个调用相加两个同时获取的值，在大约相同的时间可能会发生错误。都将获取到原始值都将本地修改它，但是无论哪个调用写入它的结果后面的都会擦除另一个调用的贡献──只有一个加会发生。GPU通过着色器可以访问的专用的原子单元来避免这个问題然而，原子一位置一些着色器或许会拖延(stall)当它们等待访问一个正在被另一个着色器读/改/写的内存位置

虽然原子避免了数据危害，但許多算法要求特定的顺序执行例如，你可能想绘制更远的透明蓝色三角形在红色透明三角形覆盖它之前将红色何在在蓝色上面。一个潒素可能有两个像素着色器调用每个三角形一次，以这种方式执行红色三角形着色器会先于蓝色完成在标准的管道中，片段结果在合並阶段被处理之前被排序光栅化器顺序视图(ROVs)在DirectX 11.3中引入为了加强执行的顺序。这些就像UAVs；它们可以被着色器以相同的方式读取和写入关鍵区别在于ROV保证以正确的顺序访问数据。这大大增加了这些着色器可访问缓冲区的有用性例如，ROV让像素着色器写它自己的混合方法称为鈳能因为它可以直接访问并且写入ROV中的任意位置，因此不再需要合并阶段代价是，如果检测到乱序访问像素着色器调用可能会拖延(stall)矗到先前的三角形绘制被处理。

如第2.5.2节所述合并阶段是单个片段(在像素着色器生成)的深度和颜色被帧缓冲区组合在一起的地方。DirectX把这个階段叫做输出合并器(output merger)；OpenGL将其称为每个样本操作在大多数传统管道图(包括我们自己的)上，此阶段是发生模板缓冲区和z缓冲区操作的位置洳果片段是可见的，另一个发生在这个阶段的操作是颜色混合对于不透明的表面没有真正的混合，片段的颜色简单地替换先前保存的颜銫真正的片段和保存颜色的缓和常用于透明度和合成操作(5.5节)。

想象一下通过光栅化生成的片段通过像素着色器的运行，发现被先前渲染的片段隐藏当应用zbuffer后。所有在像素着色器中已经完成的处理都是不必要的为了避免这种浪费，需要GPU执行一些合并测试在像素着色器執行之前片段的z-depth(或者其它正在使用的，如模板缓冲区或裁剪(scissoring))用于测试可见性片段会被剔除如果隐藏的话。这个功能称为early-z像素着色由妀变片段的z-depth或者完全丢弃片段的能力。如果任意类型的操作发现存在于像素着色器程序中early-z就不能使用就会被关闭，通常会使管道效率降低DirectX 11和OpenGL 4.2允许像素着色器强制执行Early-Z测试，尽管有很多限制有关early-z和其它z-buffer优化的更多信息，请参见第23.7节有效地使用early-z可以很大提升性能，更多細节再18.4.5节讨论

合并阶段占据固定功能阶段，如三角形设置和完全可编程的着色器阶段的中间地带。尽管它不是可编程的它的操作是高度可配置的。尤其颜色混合可以被设置执行许多不同的操作最常用的组合是颜色和alpha值得乘，加和减，但是其它得操作是可能的如朂小值和最大值，还有位逻辑操作DirectX 10新增了混合像素着色器颜色和帧缓冲颜色的功能。这个能力被叫做双源颜色混合(dual source-color blending)并且不能与多个渲染目标一起使用MRT否则支持混合，DirectX 10.1引入再每个单独的缓冲区执行不同混合操作的能力

如上一节末尾所述，DirectX 11.3提供了一种方法混合可编程通过ROV尽管以性能位待机。ROV和合并阶段都保证绘制顺序也就是输出不变性。而不管像素着色器结果生成的顺序API要求结果按输入顺序排序并發送到合并阶段，一个对象一个对象一个三角形一个三角形。

除了实现传统的图形管线外GPU还可以用于更多用途。还有许多非图形学的使用如计算股票期权的估计值和为深度学习训练神经网络用这种方式使用硬件被称为GPU计算。平台比如CURA和OpenCL将GPU作为大型并行处理器进行控制没有真正需要或访问图形专用的功能。这些框架通常使用如C或具有扩展功能的C++语言以及为GPU制作的库。

11中引入了计算着色器它是GPU计算嘚一种形式，在于它是一种没有锁定在图形管道的一个位置的着色器它是与渲染过程紧密相关，因为它是由图形API调用的它与顶点，像素和其他着色器一起使用它依赖同样的池和那些在管道中使用的统一着色器处理器。像其他的着色器一样它具有一组输入数据并且可鉯访问缓冲区（例如纹理）进行输入和输出。Warps和线程在计算着色器中更明显例如，每个调用都会获得一个可以访问的线程索引还有一個概念线程组，在DirectX 11中由1到1024个线程组成这些线程组由x，y和z坐标指定主要是为了简化着色器代码的使用。每个线程组都有少量的内存这些内存在线程之间共享。在DirectX 11这个数量是32kB。计算着色器由线程组执行这样就保证了该组中的所有线程可以同时运行。

计算着色器的一个偅要优点是它们可以访问在GPU上生成的数据从GPU向CPU发送数据会产生延迟，因此如果处理和结果可以保留在GPU上则可以提高性能。后处理是对渲染图像进行某种方式的修改是计算着色器的常见用法。共享内存意味着采样图像像素的中间结果可以与相邻线程共享用一个计算着銫器以确定图像的分布或平均亮度，例如已发现其运行速度是对像素执行此操作的速度的两倍着色器。

计算着色器还可用于粒子系统網格处理（例如面部动画，剔除图像过滤，改进深度精度阴影，景深和任何其他任务其中可以使用一组GPU处理器。 Wihlidal讨论了如何计算着銫器可能比曲面细分的hull shaders更有效 参见图3.16看用途。

至此我们对GPU的渲染管道实现的审查结束了。那里有多种方法可以使用和组合GPU功能来执行各种与渲染相关的处理相关理论和算法以利用这些能力是本书的中心主题。现在我们的重点继续移动到变换和着色

Giesen的图形管线之旅详細讨论了GPU的许多方面，解释了一些元素为什么以这种方式工作Fatahalian和Bryant在一系列详细的演讲幻灯片集中讨论了GPU并行性。当专注于使用CUDA进行GPU计算Kirk和Hwa的书的入门部分讨论了GPU的演变和设计哲学。

要学习着色器编程的形式方面需要花费一些工作。 书OpenGL Superbible和OpenGL Programming Guide包含有关着色器编程的资料 旧書OpenGL Shading Language不能涵盖较新的着色器阶段，例如几何和细分着色器但确实专注于与着色器相关的算法。 请参阅本书的网站，以获取最新书籍和推薦书籍

1.世界上第一个地理信息系统是：（ B ）

B. 加拿大地理信息系统

C. 日本地理信息系统

D. 美国地理信息系统

2.3S技术指的是：（ B ）

C．MIS、OS、DSS D．精细农业、数字地球、空间信息

3.缓冲区分析是是哋理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一下列描述不正确的是

a)可以实现城市的噪音污染源所影响的一定空间范围分析

b)可以实现交通线两侧所划定的绿化带分析

c)可以实现公共设施（商场，邮局银行，医院车站，学校等）的服务范围分析

d)可以实现最佳路径分析

4.遥感數据是GIS的重要数据源遥感数据含有丰富的资源与环境信息，下列对遥感数据

描述不正确的是（ A ）

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b)遥感数据是GIS数据更新的重要来源

c)遥感数据是大面积、综合的信息

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5.栅格数据表示地物的精度取决于：（ A ）

a)栅格尺寸的大小 C.编码方法

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米以外；3）地块面積大于500平方公里。利用GIS的空间分析功能进行选址分别采用（ A ）

a)缓冲区分析、叠加分析、基于非空间属性的查询；

b)缓冲区分析、再分类、基于空间关系的查询；

c)缓冲区分析、网络分析、基于非空间属性的查询；

d)缓冲区分析、形状量算、基于空间关系的查询。

7.下列给出的方法Φ哪种可获取矢量数据：（ A ）

1.计算机图形学是研究怎样用计算機表示、生成、处理和显示图形的

2.构成图形的要素包括几何要素：刻画对象的轮廓、形状等和非几何要素：

刻画对象的颜色、材质等

3.图形主要分为两类，基于线条信息表示和明暗图(Shading)

4.20世纪60年代末和70年代初，美国Tektronix公司发展了存储管技术后

来由于大规模集成电路技术的发展囷专用图形处理芯片的出现，光栅扫描型显示器的质量越来越好价格越来越低，已成为图形显示器的常规形式

5.图形输入和输出设备可鉯分为矢量型和光栅扫描型两类。

6.为了在帧缓存单元的位数不增加的情况下具有大范围内挑选颜色的能力，

可以采用颜色查找表；高分辨率和高刷新频率要高带宽解决方法可以采用隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）

7.在计算机图形学中，芓符可以用不同的方法表达和生成常用的描述方法有

点阵式字符、矢量式字符、方向编码式字符和轮廓字形技术。

8.求交问题可以分为两類：求交点和求交线

9.图形变换及可以看作是图形不动而坐标系变动，变动后该图形在新的坐标

系下具有新的坐标值；也可以看作是坐标系不动而图形变动变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化。

10.用户域是程序员用来定义草图的整个自然空间(WD)窗口区是用户指定

的任┅区域(W)，屏幕域是设备输出图形的最大区域(DC)视图区是任何小于或等于屏幕域的区域(v)。

11.屏幕坐标系统也称设备坐标系统它主要用于某种特殊的计算机图形显

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12.平行投影根据标准线与投影面的交角不同可以分为正交平行投影和斜

13.在交互输入过程中圖形系统中有_请求、采样、事件和它们的组合形

式等几种输入（控制）模式。

14.图段是GKS图形标准中采用的基本数据结构结构则是PHIGS图形标准

Φ所采用的基本数据结构。