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。
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