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OpenGL/OpenGL ES入门: 顶点着色器与片元着色器(OpenGL过渡OpenGL ES)

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之前几篇文章,都是讲述了固定管线相关的知识,主要目的是为了后面的内容可编程管线作铺垫。
固定管线
使用固定管线时,不需要开发者过多的去关心渲染的流程,也不允许去干涉顶点渲染和像素渲染的过程,OpenGL内部会帮我们生产一套完整的渲染流程,我们只需传特定的参数给固定管线,即可完成渲染.

可编程管线
可编程管线的定制性高,开发者可以根据需要编写顶点渲染与像素渲染中的几个环节,有属于顶点渲染的顶点着色器,几何着色器,细分着色器和属于像素渲染的片元着色器(像素着色器),着色器可理解为一个小程序,一般我们开发者比较多也必须编写的是顶点着色器和片元着色器,而几何着色器和细分着色器是有默认的,使用默认的即可.

话不多说,直接进入相关内容。

OpenGL ES简介

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是以⼿持和嵌入式为目标的高级3D图形应用程序编程接口(API)。

OpenGL ES是目前智能手机中占据统治地位的图形API.支持的平台: iOS, Andriod , BlackBerry ,bada ,Linux ,Windows.

OpenGL ES 开放式图形库(OpenGL的)用于可视化的二维和三维数据。它是一个多功能开放标准图形库,⽀持2D和3D数字内容创建,机械和建筑设计,虚拟原型设计,飞⾏模拟,视频游戏等应用程序。您可以使⽤OpenGL配置3D图形管道并向其提交数据。顶点被变换和点亮,组合成图元,并光栅化以创建2D图像。 OpenGL旨在将函数调用转换为可以发送到底层图形硬件的图形命令。由于此底层硬件专用于处理图形命令,因此OpenGL绘图通常⾮常快。 OpenGL for Embedded Systems(OpenGL ES)OpenGL的简化版本,它消除了了冗余功能,提供了⼀个既易于学习⼜更易于在移动图形硬件中实现的库。

管道渲染流程

图形渲染管道

顶点着色器

顶点着色器的输入:

  • 着色器程序 -- 描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码/可执行文件
  • 顶点着⾊器输入(属性) -- 用顶点数组提供每个顶点的数据
  • 统一变量(uniform) -- 顶点/片元着⾊器使用的不变数据
  • 采样器 -- 代表顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型,一般是ID类型,GLSL会根据ID标签查找到纹理

图元装配 图元(Primitive):点、线、三角形等
图元装配:将顶点数据计算成一个个图元,在这个阶段会执行裁剪、透视分割和Viewport变换操作。即确定顶点形成的图形,点或线或三角形等。

对于每个图元,必须确定图元是否位于视锥体(屏幕上可见的3D空间区域)内:

  • 图元没有完全在视锥体内,可能需要进行裁剪。
  • 图元完全处于该区域之外,它就会被抛弃

光栅化 绘制对应的图片(点、线、三角形),将图元转化成一组二维片段的过程,就是将顶点数据计算成的图片转化成片元,然后这些片元由片元着色器处理。

光栅化

顶点着色器业务:

  • 矩阵变换位置
  • 计算光照公式生成逐顶点颜色
  • 生成/变换纹理坐标

顶点着色代码案例:

// 属性 -- 顶点坐标 四维向量
attribute vec4 position;
// 属性 -- 纹理坐标 二维向量
attribute vec2 textCoordinate; 
// uniform 旋转矩阵
uniform mat4 rotateMatrix; 
// 通道 可利用该值传递值到片元着色器
varying lowp vec2 varyTextCoord; 
void main()
{
    varyTextCoord = textCoordinate; 
    vec4 vPos = position;
    vPos = vPos * rotateMatrix; 
    // 输出
    gl_Position = vPos;
}
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顶点着色器

片元着色器

片元着色器又叫片段着色器或像素着色器。

片元着色器的输入:

  • 着色器程序 -- 描述片段上执行操作的片元着色器程序源代码/可执行文件。
  • 输入变量 -- 光栅化单元用插值为每个片段生成的顶点着色器输出
  • 统一变量(uniform) -- 顶点或片元着色器使用的不变数据
  • 采样器 -- 代表片元着色器使用纹理的特殊统一变量

插值(Interpolation):
光栅器在三角形的三个顶点之间进行插值(或者通过另外一种技术一行一行的插值)并执行片元着色器遍历三角形的每一个像素。片元着色器会返回光栅器存在颜色缓存中用于显示的像素颜色值(在其他一些额外的检测之后,比如:深度测试depth test等)

片元着色器业务:

  • 计算颜色
  • 获取纹理值
  • 往像素点中填充颜色值(纹理值/颜色值)

它可以⽤于图⽚/视频/图形中每个像素的颜色填充(比如给视频添加滤镜,实际上就是将视频中每个图片的像素点颜色填充进行修改.)

片元着色代码案例:

// 纹理坐标 从顶点着色器传递过来 命名、类型要一致
varying lowp vec2 varyTextCoord; 
// 纹理采样器 
uniform sampler2D colorMap; 
void main()
{
    // 输出值 -- gl_FragColor
    // texture2D(纹理采样器, 纹理坐标) -- 获取纹理像素
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord); 
}
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片元着色器

逐片段操作:

  • 像素归属测试: 确定帧缓存区中位置(Xw,Yw)的像素目前是不是归属于OpenGL ES所有. 例如,如果⼀个显示OpenGL ES帧缓存区View被另外⼀个View所遮蔽.则窗口系统可以确定被遮蔽的像素不属于OpenGL ES上下⽂。从而不全显示这些像素。而像素归属测试是OpenGL ES的一部分,它不由开发者开人为控制,而是由OpenGL ES内部进行.
  • 裁剪测试: 裁剪测试确定(Xw,Yw)是否位于作为OpenGL ES状态的一部分裁剪矩形范围 内。如果该⽚段位于裁剪区域之外,则被抛弃。
  • 深度测试: 输⼊片段的深度值进步比较,确定片段是否拒绝测试
  • 混合: 混合将新生成的⽚段颜色与保存在帧缓存的位置的颜色值组合起来
  • 抖动: 抖动可用于最小化因为使用有限精度在帧缓存区中保存颜色值⽽产生的伪像.

逐片段操作

EGL (Embedded Graphics Library )

  • OpenGL ES命令需要渲染上下文和绘制表面才能完成图形图像的绘制.
  • 渲染上下文: 存储相关OpenGL ES状态.
  • 绘制表面: 是用于绘制图元的表面,它指定渲染所需要的缓存区类型,例如颜色缓冲区,深度缓冲区和模板缓冲区.
  • OpenGL ES API并没有提供如何创建渲染上下⽂或者上下⽂如何连接到原生窗口系统。 EGLKhronos渲染API(如OpenGL ES)和原⽣窗口系统之间的接口。唯一⽀持OpenGL ES却不⽀持EGL的平台是iOS。Apple提供⾃己的EGL API的iOS实现,称为EAGL
  • 因为每个窗口系统都有不同的定义,所以EGL提供基本的不透明类型EGLDisplay,这个类型封装了所有系统相关性,用于和原生窗口系统接口.

由于OpenGL ES是基于C的API,因此它⾮常便携且受到广泛支持。作为C的API,它与 Objective-C Cocoa Touch应⽤程序⽆缝集成。OpenGL ES规范没有定义窗口层; 相 反,托管操作系统必须提供函数来创建一个接受命令的OpenGL ES渲染上下文和一个帧 缓冲区,其中写入任何绘图命令的结果。在iOS上使用OpenGL ES需要使⽤iOS类来设置 和呈现绘图表面,并使用平台中立的API来呈现其内容。

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