前言
在上篇文章已经了解了在实际案例中,OpenGL是如何用固定存储着色器画一个正方形的,那么这篇文章主要是再次熟悉和理解OpenGL的整个渲染流程和工作内容,理论与实践同样重要。
渲染管线流程图
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。以后学到OpenGL ES,它的渲染流程也是与之类似甚至相同的,所以这张图的理解相当重要!!!
渲染管线
在第一篇文章介绍时其实已经说到了渲染管线,有过相关解释和说明,但是可能没那么好理解,这里结合上图更能深刻理解其意思。
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:
- 把你的3D坐标转换为2D坐标,
- 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(片段)着色器:
光栅化(图元装配后进行)
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。
如下图就是光栅化的过程的一种理解,第一步告诉计算机我要显示一个圆形,第二步计算机把这个圆形转换成可以显示的像素点
着色器
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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。
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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。
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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
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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。
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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。在顶点和片段着色器中会有点不同的是Attributs(属性)只能间接传递给片元着色器,但是可以直接传递给顶点着色器,在上图已有说明。
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。
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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。
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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。
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属性还可以是:纹理坐标、颜色值、光照计算表面法线。
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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,但是也可以传递给片元着色器。
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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。
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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。
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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,有点类似全局的静态变量。
Textures(纹理)
纹理是一个2D图片(甚至也有1D和3D的纹理,一般是2D),它可以用来添加物体的细节。
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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。
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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,后面会有相关案例。
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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,后面在设置纹理的时候会体现出来。
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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。