Graphics Processing Unit（GPU），即可编程图形处理单元， 通常也称之为可编程图形硬件。
由于 GPU 具有高并行结构（highly parallel structure），所 以 GPU 在处理图形数据和复杂算法方面拥有比 CPU 更高的效率。图 1 GPU VS CPU 展示了 GPU 和 CPU 在结构上的差异，CPU 大部分面积为控制器和寄存器， 与之相比，GPU 拥有更多的 ALU（Arithmetic Logic Unit，逻辑运算单元）用于 数据处理，而非数据高速缓存和流控制，这样的结构适合对密集型数据进行并行 处理。CPU 执行计算任务时，一个时刻只处理一个数据，不存在真正意义上的 并行（请回忆 OS 教程上的时间片轮转算法），而 GPU 具有多个处理器核，在一 个时刻可以并行处理多个数据。
GPU 采用流式并行计算模式，可对每个数据进行独立的并行计算，所谓“对 数据进行独立计算”，即，流内任意元素的计算不依赖于其它同类型数据，例如， 计算一个顶点的世界位置坐标，不依赖于其他顶点的位置。而所谓“并行计算” 是指“多个数据可以同时被使用，多个数据并行运算的时间和 1 个数据单独执行 的时间是一样的”。图 2 中代码目的是提取 2D 图像上每个像素点的颜色值，在 CPU 上运算的 C++代码通过循环语句依次遍历像素；而在 GPU 上，则只需要一 条语句就足够。
其一，object space coordinate 就是模型文件中的顶点值，这些值是在模型建模时得到的，例如，用 3DMAX 建 立一个球体模型并导出为.max 文件，这个文件中包含的数据就是 object space coordinate；其二，object space coordinate 与其他物体没有任何参照关系，注意， 这个概念非常重要，它是将 object space coordinate 和 world space coordinate 区分 开来的关键。无论在现实世界，还是在计算机的虚拟空间中，物体都必须和一个 固定的坐标原点进行参照才能确定自己所在的位置，这是 world space coordinate 的实际意义所在。
从 object space coordinate 到 world space coordinate 的变换过程由一个四阶矩阵控制，通常称之为 world matrix。需要高度注意的是：顶点法向量在模型文件中属于 object space，在 GPU 的 顶点程序中必须将法向量转换到 world space 中才能使用，如同必须将顶点坐标 从 object space 转换到 world space 中一样，但两者的转换矩阵是不同的，准确的 说，法向量从 object space 到 world space 的转换矩阵是 world matrix 的转置矩阵 的逆矩阵。
每个人都是从各自的视点出发观察这个世界，无论是主观世界还是客观世 界。同样，在计算机中每次只能从唯一的视角出发渲染物体。在游戏中，都会提 供视点漫游的功能，屏幕显示的内容随着视点的变化而变化。这是因为 GPU 将 物体顶点坐标从 world space 转换到了 eye space。 所谓 eye space，即以 camera（视点或相机）为原点，由视线方向、视角和 远近平面，共同组成一个梯形体的三维空间，称之为 viewing frustum（视锥）， 如图 4 所示。近平面，是梯形体较小的矩形面，作为投影平面，远平面是梯形体 较大的矩形，在这个梯形体中的所有顶点数据是可见的，而超出这个梯形体之外 的场景数据，会被视点去除（Frustum Culling，也称之为视锥裁剪）。
从视点坐标空间到屏幕坐标空间 （screen coordinate space）事实上是由三步组成： 26 1. 用透视变换矩阵把顶点从视锥体中变换到裁剪空间的 CVV 中； 2. 在 CVV 进行图元裁剪； 3. 屏幕映射：将经过前述过程得到的坐标映射到屏幕坐标系上。
从物理结构而言，寄存器是 cpu 或 gpu 内部的存储单元，即寄存器是嵌入在 cpu 或者 gpu 中的，而内存则可以独立存在；从功能上而言，寄存器是有限存储 容量的高速存储部件，用来暂存指令、数据和位址。Shader 编成是基于计算机图 形硬件的，这其中就包括 GPU 上的寄存器类型，glsl 和 hlsl 的着色虚拟机版本 就是基于 GPU 的寄存器和指令集而区分的。
顶点着色器控制顶点坐标 转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片 段着色程序的各自分工：Vertex program 负责顶点坐标变换；Fragment program 负责像素颜色计算；前者的输出是后者的输入。
