2.2 图元组装与光栅化：顶点变片元
2.2 图元组装与光栅化：顶点变片元
本节摘要：图元装配把孤立的顶点按绘制命令指定的模式拼成图元，裁剪掉视野外的部分，完成透视除法与视口变换；光栅化随后把连续的三角形离散成屏幕上的片元网格，并用插值把顶点属性摊到每个片元上。本节解剖这两个固定功能阶段，重点讲清楚像素质心规则（决定边缘像素归属）、插值中的透视校正（决定纹理为什么不歪），以及背面剔除与近远裁剪的典型病变。这是从「几何世界」到「像素世界」的过桥节。
三角形是从哪一刻开始存在的
2.1 节说过，顶点着色器眼里没有三角形。三角形的诞生时刻在图元装配：GPU 读取绘制命令里的图元模式（三角形、三角形带、线段、点……），把顶点流按模式切组。GL_TRIANGLES 模式下每三个顶点一组；GL_TRIANGLE_STRIP 模式下顶点共享成一条带，N 个顶点产出 N 减 2 个三角形，四边形网格用条带能省近半的顶点传输。模式的选择权在你手里，装配规则是固定的。
装配之后紧跟两刀。第一刀是背面剔除（可选开关）：根据屏幕空间里三角形顶点的环绕方向判断它朝向还是背向摄像机，背向的直接扔掉——封闭物体内部那半面永远不该被看到，剔掉等于少画一半三角形。第二刀是裁剪：把完全在视锥外的图元扔掉、跨越边界的切成小块，上一节说过这必须在透视除法之前完成，因为裁剪空间的「负 w 到正 w」判断最便宜。
裁剪完才轮到透视除法（除以 w 得到 NDC）和视口变换（把 NDC 的负 1 到 1 范围映射成具体的像素坐标和深度值）。至此，几何体完成了从抽象数学到具体像素格的落位，光栅化接手。
⚠️ 常见坑一：环绕方向搞反。默认逆时针为正面，如果建模软件导出的网格是顺时针习惯，全部三角形会被背面剔除当成背面扔掉——症状是整个模型"消失"只剩个别内表面。修法要么翻转环绕约定，要么在导入时交换顶点顺序。模型整体消失，先查背面剔除和环绕方向。
⚠️ 常见坑二：物体靠近摄像机时突然消失成洞。这是近平面裁剪在起作用：比近平面还近的部分被切掉。透视投影的近平面不能设成 0 或极小值（数学上发散、深度精度上灾难，4.3 节展开），物体怼到镜头前必然被切。
光栅化：把三角形摊到像素网格上
光栅化回答的问题只有一个：屏幕上网格中，哪些像素被这个三角形覆盖，覆盖到的每个像素取什么属性值。判断覆盖用的是质心规则：一个像素是否归属某三角形，看像素中心点是否落在三角形内。规则听起来平淡，但它保证了一个重要性质——无重叠、无遗漏：相邻三角形恰好瓜分像素，不多不少。这意味着接缝处既不会双重绘制（闪烁）也不会漏缝（孔洞）。
图 2-2 质心规则：像素中心决定归属
插值：顶点属性怎么摊到片元上
光栅化不只判定归属，还要插值。三角形三个顶点各自带着法线、纹理坐标、颜色，中间的片元拿什么值？答案是按重心坐标加权：片元在三角形里的位置离哪个顶点近，就多继承那个顶点的属性。屏幕上的渐变色就是这样来的——顶点给三原色，中间自动过渡。
但直接按屏幕空间距离插值有个隐蔽的错误，叫透视失真。设想一条贴在地上的长条纹理：近端和远端的纹理坐标分别在两个顶点上，屏幕上中点像素离两端各半，朴素插值会取纹理坐标的中点。可是透视让近端在屏幕上占的像素多、远端占的少，「屏幕中点」实际对应的是地面条带偏近端的位置——朴素插值给的却是物理中点的纹理坐标。结果是透视越强纹理越歪斜，地砖越远越拧。
硬件的药方是透视校正插值：插值前先除以各自的 w，插值后再除回来，把透视的影响从权重里抵消。这个过程完全在固定功能硬件里发生，你感知不到它，除非——你在顶点着色器里手工传递插值用的变量。noperspective 限定符可以主动关掉校正（个别特殊效果需要屏幕空间均匀的插值，比如屏幕空间贴图），但 99% 的场景应该保持默认的透视校正。
💡 关键直觉：透视校正插值是「免费的正确」，noperspective 是「付费的错误」。默认选项就是对的选项，除非你明确知道自己在买什么。
光栅化的开销清单
这一站的成本几乎只由一个数字决定：被覆盖的像素数（术语叫填充率）。三角形越大、屏幕分辨率越高、物体离摄像机越近，片元越多。几个工程含义：高 DPI 屏幕上渲染量按面积翻四倍，移动端必须考虑分辨率缩放；大量互相遮挡的超大三角形是纯粹的浪费（画完被覆盖），视锥剔除和遮挡剔除（第 7 章）就是为此存在；「小三角形问题」反方向作恶——三角形小于一个像素时并行效率崩塌，顶点工作量不少、片元产出为零，过密的细分曲面容易踩中。
填充率压力的定量感受可以这样建立：一块全屏的 1080p 后处理 pass 大约两百万片元；如果这个 pass 采样五张全屏纹理，就是一千万次纹理读取。四个这样的 pass 叠起来，帧预算里纹理带宽的账单就逼近中端 GPU 的舒适上限——这解释了为什么第 5 章后处理链要发明降采样（在四分之一分辨率上做模糊再升回来）：像素数减到十六分之一，带宽账单同步缩水。判断某效果贵不贵，先算它碰多少像素、每像素碰多少次显存——这个心算习惯比记住任何基准数字都有用。
💡 关键直觉：顶点站与片元站的优化方向天然相反。顶点站省的是「每个顶点的属性宽度与重复计算」（3.1 节的索引复用、6.2 节的紧凑格式）；片元站省的是「被触发的像素总数与每像素的采样次数」。同一个场景，镜头拉近时瓶颈常从顶点站滑向片元站——排错前先看镜头，再选怀疑对象。
本节要点回顾
- 图元装配造出三角形：模式决定拼法，背面剔除和裁剪两刀先砍，透视除法与视口变换随后
- 模型整体消失先查环绕方向：背面剔除配逆时针约定，建模软件习惯不合时全灭
- 近平面切出洞是正常病理：怼镜头的物体必被切，别把近平面设成 0
- 质心规则定归属：像素中心在内才算覆盖，无重叠无遗漏
- 插值默认透视校正：朴素插值会让远处纹理拧斜，硬件免费替你修正
- 填充率是本站的成本之王：像素数决定开销，与顶点站的优化方向正好相反
片元已经带着插值好的属性站到了下一站的传送带上——片元着色器，整条管线里戏份最重、与你日常打交道最多的可编程阶段。