OpenGL 渲染管线流程解析

OpenGL 渲染管线流程图.jpg

这张图是OpenGL开发者需要理解的，在以后处理任何图形渲染，都是依据它，基于OpenGL封装的框架也遵循这个图的规则。

渲染管线

在OpenGL中，任何事物都在3D空间中，而屏幕和窗口却是2D像素数组，这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应你屏幕的2D像素。3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线（Graphics Pipeline，大多译为管线，实际上指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程）管理的。

图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。

下图，是一个图形渲染管线的每个阶段的抽象展示，蓝色的是表示可编程的着色器，不过我们常用的一般只有顶点着色器和片元着色器:

OpengGL渲染管线抽象图

光栅化

光栅化就是把矢量图形转化成像素点的操作。我们屏幕上显示的画面都是由像素组成，而三维物体都是点线面构成的。要让点线面，变成能在屏幕上显示的像素，就需要Rasterize(光栅化)这个过程。就是从矢量的点线面的描述，变成像素的描述。

如下图，这样可能比较好理解: 前面是告诉计算机我有一个圆形，后面是计算机把这个圆形转换成可以显示的像素点。

光栅化示例图

着色器

• 着色器是使用一种叫GLSL的类C语言写成的。GLSL是为图形计算量身定制的，它包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。

• 着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。

• 在OpenGL中，我们必须定义至少一个顶点着色器和一个片段着色器（因为GPU中没有默认的顶点/片段着色器。采用了这两种着色器小程序 的数据传输处理计算的渲染过程，一般称之为可编程管线。

输入与输出

• 虽然着色器是各自独立的小程序，但是它们都是一个整体的一部分，出于这样的原因，我们希望每个着色器都有输入和输出，这样才能进行数据交流和传递。

• GLSL定义了in和out关键字专门来实现这个目的。每个着色器使用这两个关键字设定输入和输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，它就会传递下去。但在顶点和片段着色器中会有点不同。

Attributs（属性）

属性就是对每一个顶点都要作改变的数据元素。实际上，顶点位置本身就是一个属性。属性值可以是浮点数、整数、布尔数据。

• 属性总是以四维向量的形式进行内部存储的，即使我们不会使用所有的4个分量。一个顶点位置可能存储（x,y,z），将占有4个分量中的3个。

• 实际上如果是在平面情况下：只要在xy平面上就能绘制，那么Z分量就会自动设置为0。

• 属性还可以是：纹理坐标、颜色值、关照计算表面法线。

• 在顶点程序（shader渲染）可以代表你想要的任何意义。

• 属性会从本地客户机内存中复制存储在图形硬件中的一个缓冲区上。这些属性只提供给顶点着色器使用，对于片元着色器木有太大意义。

• 声明：这些属性对每个顶点都要做改变，但并不意味着它们的值不能重复。通常情况下，它们都是不一样的，但有可能整个数组都是同一值的情况。

Uniform

Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。

• uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。
• 无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。

Textures（纹理）

纹理是一个2D图片（甚至也有1D和3D的纹理），它可以用来添加物体的细节

• 在顶点着色器、片段着色器中都可以对纹理数据进行采样和筛选。
• 典型的应用场景：片段着色器对一个纹理值进行采样，然后在一个三角形表面应用渲染纹理数据。
• 可以想象纹理是一张绘有砖块的纸，无缝折叠贴合到你的房子上，这样你的房子看起来就像有砖墙外表了。
• 纹理数据，不仅仅表现在图形，很多图形文件格式都是以无符号字节（每个颜色通道8位）形式对颜色分量进行存储的。