OpenGL ES 图形管线

1. pipeline

1.1 顶点着色器

顶点着色器实现了顶点操作的通用可编程方法。顶点着色器可以实现基于顶点的传统操作，如通过矩阵来变换顶点位置、计算照明公式生成逐顶点颜色、生成或者变换纹理坐标等。

1.1.1 输入

顶点着色器的输入包括：

1. 着色器程序（shader program）：描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码或可执行文件。
2. 顶点属性（vertex atrribute）：使用顶点数组提供的每个顶点的属性。
3. 统一变量（uniform）：顶点着色器中使用的不变的数据。
4. 采样器（sampler）：使用纹理时的特殊的unform变量，可用于纹理采样。

1.1.2 输出

顶点着色器的输出：又称为varying变量，在图元光栅化阶段，会为每个片段计算顶点着色器的输出，并将其作为输入传递给片段着色器。 顶点着色器的顶点输出，实际上是在裁剪坐标系内

1.1.3 MVP矩阵

Model Matrix 模型矩阵：用于变换物体对象，将物体坐标从模型空间（相对于物体原点）转换到世界空（相对于世界原点，全局唯一）中。

View Matrix 视图矩阵/观察矩阵：它定义了相机在世界坐标系中的位置和观察方向，将物体顶点从世界空间转换至观察空间（相对于相机）。

ModelView矩阵都是线性变换（包括齐次坐标的平移操作），一般几何属性，如法线，光照等的计算，都在经过此变换后的观察空间中进行。

Projection Matrix 投影矩阵：投影矩阵是为了模拟人眼看待世界的“近大远小”透视效果，或正交投影效果。它将顶点从观察空间，转换至裁剪空间。
裁剪空间的坐标是$(x_c, y_c, z_c, w_c)$所指定的齐次坐标，裁剪空间中的坐标范围是$-w_c \leq x_c \leq w_c$ ，$-w_c \leq y_c \leq w_c$ ，$-w_c \leq z_c \leq w_c$，其归一化后的坐标会限制在一个视景体内。

1.2 图元装配

1.2.1 图元组装

根据用户的opengl绘制调用命令（如 glDrawArrays或 glDrawElements）和指定的图元类型（如 三角形GL_TRIANGLES、连续线段GL_LINE_STRIP等），管线将连续的顶点数据“连接”成具体的形状。组装好的图元仍然位于裁剪空间

1.2.2 裁剪

裁剪发生在裁剪空间，目的是丢弃那些完全不在视锥体内的图元，以及对部分位于视锥体内的图元进行裁剪，只保留可见部分（可能会生成多的点）。 裁剪必须在裁剪空间中进行，因为如果到NDC中的映射是非线性的，如要新加点和属性，则会不对。（非线性，如裁剪空间平行线映射后在NDC中会相交，「铁轨」）

1.2.3 透视除法

裁剪完后，会进行透视除法，对于裁剪坐标中的每个分量，都除以$w$分量。则有 $(x, y, z, w)->(x/w, y/w, z/w)$，顶点坐标经过透视除法，从裁剪空间转换至归一化的设备坐标NDC空间，其表示范围在一个标准的立方体内：${[-1, 1]^3}$。顶点的$1/w$分量被保留，需要用于透视矫正插值。

1.2.4 视口变化

NDC 坐标被变换到窗口坐标（也称为屏幕坐标）。这个变换可以通过 glViewport和 glDepthRange函数定义的参数控制。此时z坐标也会变换到视锥体的far和near两个平面范围间，记录到zbuffer里面。

1.2.5 背面剔除

剔除背向摄像机的三角形。

1.3 光栅化

光栅化是将图元转换为一组二维片元的过程。（片元区别于像素，可能会被后面的测试丢弃或修改）。光栅化发生在视口变换后，此时有片元顶点的窗口坐标，z坐标。

1.3.1 确定片元

确定哪些片元被图元覆盖，如通过重心坐标系来来判断像素中心点是否在三角形内。

1.3.2 片元属性插值

利用重心坐标来平滑地计算三角形内部任意一点的属性值。它会根据三个顶点的属性值，按比例进行混合。（重心坐标是，基于窗口坐标系下的像素位置计算得到）

1.4 片段着色器

片段着色器为片元操作实现了通用的可编程方法。光栅化阶段中生成的每一个片元，都会执行该着色器程序。

1.4.1 输入

片段着色器的输入：

1. 着色器程序（shader program）：描述片段上所执行的片段着色器程序的源代码或可执行文件。
2. 输入可变变量（varying）：光栅化阶段为每个片段插值生成的顶点着色器的输出。
3. 统一变量（uniform）：片段着色器中使用的不变的数据。
4. 采样器（sampler）：使用纹理时的特殊的unform变量，可用于纹理采样。

1.4.2 输出

片段着色器可以抛弃片元（discard关键字），或者生成一个或多个颜色值作为输出（framebuffer + 多个attachments + drawbuffers）

1.5 逐片段操作

1. 像素归属测试：确定帧缓存中像素目前是否归当前OpenGL ES上下文所有，确认是否可以不显示这些像素，如OpenGL ES窗口被另外一个窗口所覆盖，则可以完全不显示这些像素。这些实在OpenGL 内部控制，不由开发人员管理。
2. 裁剪测试scissor test，允许定义一个屏幕空间的二维矩形区域，只有该范围内的可以写入帧缓存，之外的会被丢弃。
3. 模版测试stencil test，允许定义一个特定的模版mask，来检测片元是否写入还是丢弃。相比裁剪测试，可以定义更高级的图案类型。
4. 深度测试depth test，解决3D场景中物体的可见性（遮挡关系），根据深度值对片元颜色进行覆盖。
5. 混合Blend ：将源片元的颜色与帧缓冲区中目标像素的颜色进行组合，常用于绘制透明物体。