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OpenGL入门 (四) —— 渲染流程解析

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:

  1. 把你的3D坐标转换为2D坐标,
  2. 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:

OpenGL渲染管线抽象图

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

  • 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。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。

  • 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、光照计算表面法线

  • 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。

  • 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,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。

  • 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,后面会有相关案例。

  • 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。

  • 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。

OpenGL入门 (一) —— OpenGL专业名词解析

OpenGL入门 (二) —— OpenGL Mac环境搭建

OpenGL入门 (三) —— 快速画一个正方形

OpenGL入门 (四) —— 渲染流程解析

OpenGL入门 (五) —— 图元绘制实战

OpenGL入门 (六) —— 矩阵基础变化实战

OpenGL入门 (七) —— 隐藏面消除详解

OpenGL入门 (八) —— 纹理坐标解析