DirectX12 - Triangle Culling and Winding Order（三角形的剔除与绕序）

这里是SunshineBooming，GPU公司一枚小小的Driver工程师，主要工作是写DirectX12 Driver，我会持续更新这个DX12 Spec系列，可能比较冷门，但是都是干货和工作中的心得体会，有任何GPU相关的问题都可以在评论区互动，知无不言：

DirectX12 Spec 总目录

1. 什么是Triangle Culling（三角形剔除）?

• 我们都知道，在现有的3D图形框架中，3D模型都是由Triangle有序排列起来的。例如一个长方体有6个面，每个面可以拆分成2个Triangle。那么我们就可以用[Tri0…Tri11]这样12个Triangle有序排列，最后还原成一个长方体的3D模型：
  
• 同时我们也可以发现，在正对着长方体某个面的观察视角上，例如这样：
  
  在此视角下，只能观察到Tri0、Tri1两个三角形组成的平面，Tri2/3/4/5是无法看见的，因此这部分Triangle在DirectX12的Rendering Pipeline中可以预先剔除（Culling），这样做可以减少不必要的计算量，提高渲染效率。

2. 什么是Winding Order（绕序）？

• Winding Order是几何图形学中的知识。假设一个Triangle由3个Vertex构成，且3个Vertex输入到DX12驱动的Input Layout顺序，为Ver0->Ver1->Ver2，这个Vertex的排布顺序，就是Triangle的绕序（Winding Order）：
  
  根据左手定则，在该绕序条件下，Triangle的法向量，为传出纸向外，且垂直于该平面的单位向量。
• 注意：DirectX12判定平面法向量用的是左手定则，OGL正好相反，用的是右手定则。
• 所以我们可以看出，每个Triangle的Vertex绕序，决定了该Triangle图形的法向量方向。

3. 如何用Winding Order（绕序）做Culling（剔除）？

• 有了绕序的概念，做剔除的原理其实很简单。
• 我们知道DirectX12做渲染过程中，所有3D模型最后都要统一到观察空间（View Space）。每个3D模型先在局部空间建模，然后通过世界矩阵->世界空间，然后根据Camera在世界空间中摆放的参数，得到观察矩阵，再通过观察矩阵，将世界空间->观察空间（扯远了。。。）。
• 那么观察空间也是一个三维空间：
  
  Camera观察方向指向+Z方向，所以我们规定，任何一个Triangle的法向量，和-Z方向的单位向量（比如(0,0,-1)）做比较，2个向量夹角在[0,Pi/2)范围留下，在[Pi/2,Pi]范围剔除，因为大于Pi/2角度的平面，是背向观察方向的平面，所以是不可见的：
  
  法向量如何确定呢？就是根据之前说的的绕序确定。
• 所以剔除的整个原理就是这样简单，其中算法向量和算向量夹角都有数学公式支撑，这里不做赘述。
• 另外剔除的整个计算和判定过程都是由GPU Hardware端做的，因为一个简单的3D模型，都可能有成千上万个Triangle组成，计算量是非常大的。