OpenGL渲染流程

OpenGL渲染流程

渲染框架

以前學習管線的時候，咱們知道OpenGL的渲染流程是有固定次序的。那麼先了解下渲染框架：

認識OpenGL客戶端和服務端的概念

這裏的客戶端和服務端都是對OpenGL而言。客戶端將數據和渲染指令發送給服務端。

• 客戶端是運行在CPU上的程序代碼和OpenGL API的調用以及數據的傳遞。
• 服務端是OpenGL接收客戶端的數據和指令後對GPU的調用。服務端對數據的處理流程大體上流程就是頂點着色器（Vertex Shader）->圖元裝配（Primitive Assembly）->片元着色器（Fragment Shader）->渲染（Render）。

着色器

着色器是使用GLSL編寫的程序。GLSL看起來與C語言很是相似，實際上GLSL語言的程序甚至是以咱們熟悉的main函數開始的。這些着色器必須從源代碼中編譯和連接到-起(這一點仍然和C、C++程序很是相似)才能使用。最終準備就緒的着色器程序隨後在第一階段構成頂點着色器，在第二階段構成片斷着色器。請注意，咱們目前討論的是簡化的方式。實際上還有一種幾何着色器能夠(選擇性地)安排在二者之間，就像用來將數據來回傳遞的全部類型的反饋機制同樣。還有一些傳遞片斷的處理特性，諸如混合、模板和深度測試。

頂點着色器處理從客戶機輸入的數據，應用變換，或者進行其餘類型的數學運算來計算光照效果、位移、顏色值，等等。爲了渲染一個共有3個頂點的三角形，頂點着色器將執行3次，也就是爲每一個頂點執行一次。在目前的硬件上有多個執行單元同時運行，這就意味着全部這3個頂點均可以同時進行處理。今天的圖形處理器屬於大規模並行計算機。不要將它們和CPU相比而被時鐘速度矇蔽，它們比圖形操做要快上幾個數量級。

如今，3個頂點都作好了光柵化的準備。圖元組合( Primitive Assembly )框圖意在說明3個頂點已經組合在一塊兒，而三角形已經逐個片斷地進行了光柵化。每一個片斷都經過執行片斷着色器而進行了填充，片斷着色器會輸出咱們將在屏幕上看到的最終顏色值。再強調一次，今天的硬件是大規模並行運算的，同時執行上百個甚至更多的這種片斷程序並不困難。

在OpenGL核心框架中，並無提供任何內建渲染管線，在提交一個幾何圖形進行渲染以前， 必須制定一個着色器。咱們可使用的存儲着色器。這些存儲着色器由GLTools 的C++類GLShaderManager進行管理，它們可以知足進行一般渲染的基本要求。

單位( ldentity)着色器

單位( ldentity )着色器只是簡單地使用默認的笛卡爾座標系(在全部座標軸上的座標範圍都是1.0~1.0)。全部片斷都應用同一種顏色，幾何圖形爲實心和未渲染的。這種着色器只使用一個屬性GLT_ATTRIBUTE_VERTEX。vColor參數包含了要求的顏色。

GLShaderManager::UseStockShader (GLT_SHADER_IDENTITY, GLfloat vColor[4]);
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平面着色器

平面( Flat)着色器將統一着色器進行了擴展，容許爲幾何圖形變換指定一個4x4變換矩陣。典型狀況下這是一種左乘模型視圖矩陣和投影矩陣，常常被稱做「模型視圖投影矩陣」。這種着色器只使用一個屬性GLT_ATTRIBUTE__VERTEX。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, GLfloat mvp[16]，GLfloat
vCo1or[4]) ;
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上色( Shaded)着色器

這種着色器惟一的Uniform 值就是在幾何圖形中應用的變換矩陣。GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和 GLT_ATTRIBUTE_COLOR在這種着色器中都會使用。顏色值將被平滑地插入頂點之間(稱爲平滑着色)。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_SHADED, GLfloat mvp[16]);
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默認光源着色器

這種着色器創造出一種錯覺，相似於由位於觀察者位置的單漫射光所產生的效果。從本質上講,這種着色器使對象產生陰影和光照的效果。這裏須要模型視圖矩陣、投影矩陣和做爲基本色的顏色值等Uniform值。所需的屬性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和GLT_ATTRIBUTE_NORMAL。大多數光照着色器都須要正規矩陣( normal matrix )做爲Uniform值。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, GLfloat mvMatrix[16], GLfloat pMatrix[16], GLfloat vColor[4]);
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點光源着色器

點光源着色器和默認光源着色器很類似，可是光源位置多是特定的。這種着色器接受4個Uniform值，即模型視圖矩陣、投影矩陣、視點座標系中的光源位置和對象的基本漫反射顏色。所需的屬性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和GLT_ATTRIBUTE_NORMAL。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIFF, GLfloat mvMatrix[16], GLfloat pMatrix[16], GLfloat vLightPos[3], GLfloat vColor[4]);
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紋理替換矩陣

着色器經過給定的模型視圖投影矩陣，使用綁定到nTextureUnit指定的紋理單元的紋理對幾何圖形進行變換。片斷顏色是直接從紋理樣本中直接獲取的。所需的屬性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和GLT_ATTRIBUTE_NORMAL。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE, GLfloat mvpMatrix[16], GLint nTextureUnit);
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紋理調整着色器

這種着色器將一個基本色乘以一個取自紋理單元nTextureUnit 的紋理。所需的屬性有 GLT_ATTRIBUTE_VERTEX 和GLT_AT TRIBUTE_TEXTUREO。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE, GLfloat mvpMatrix[16], GLfloat vColor, GLint nTextureUnit);
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紋理光源着色器

這種着色器將一個紋理經過漫反射照明計算進行調整(相乘)，光線在視覺空間中的位置是給定的。這種着色器接受5個Uniform值，即模型視圖矩陣、投影矩陣、視覺空間中的光源位置、幾何圖形的基本色和將要使用的紋理單元。所需的屬性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX、GLT_ATTRIBUTE_NORMAL和GLT_ATTRIBUTE_TEXTUREO。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIFF, GLfloat mvMatrix, GLfloat pMatrix[16], GLfloat vLightPos[3],
GLfloat vBaseColor[4]，GLint nTextureUnit);
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固然咱們必須首先爲這些着色器提供數據，不然什麼也作不成。有3種向OpenGL着色器傳遞渲染數據方法可供程序員選擇，即屬性、uniform值和紋理。

客戶端向服務端傳輸數據的三種管道

• attributes（屬性）
  • 傳輸一些常常變更的數據。屬性值能夠是浮點型、整數或布爾數據。屬性老是以思惟向量的形式進行內部存儲的，即便咱們不會用到全部4個份量。好比頂點座標、顏色值、位移、紋理座標、光照法線。
  • 屬性會從本地客戶機內存中複製存儲在圖形硬件中(這種狀況的可能性最大)的一個緩衝區上。這些屬性只供頂點着色器使用，對於片斷着色器來講沒什麼意義。在可編程着色器中能夠經過GLSL代碼間接的傳給片元着色器。
• uniform（統一值）
  • 比較統1、固定、通用的數據，uniform變量既能夠是標量類型，也能夠是矢量類型。咱們也可使用uniform矩陣。好比旋轉矩陣（頂點着色器中使用），顏色轉換矩陣（片元着色器中使用）。
  • 能夠傳給頂點着色器和片元着色器。
• textureData（紋理數據）
  • 紋理通道就是紋理數據了。通常來講紋理數據無需傳給頂點着色器。
  • 能夠傳給頂點着色器和片元着色器，通常只有片元着色器會用到。
• out（輸出）
  • 輸出數據是做爲一個階段着色器的輸出定義的，而在後續階段的着色器則是做爲輸入(in)定義的。
  • 輸出類型的數據能夠簡單地從一個階段傳遞到下一個階段，也能夠以不一樣的方式插入。客戶端的代碼接觸不到這些內部變量，可是它們在頂點着色器和片斷着色器中(還可能包括可選的幾何着色器)都進行了聲明。
  • 頂點着色器爲輸出變量分配一個值，這個值是常量，也能夠在圖元被光柵化時插入到頂點之間。片斷着色器對應的同名輸入值接受這個常量或插入值。

圖形文件渲染過程

• 在咱們的場景中，咱們主要考慮一個三維座標空間。圖形管線被拆解爲主要的兩部分。
  • 第一部分是前端(front end)，處理頂點和圖元，最後把它們組成爲點、線和三角形傳遞給光柵器。這個過程被稱爲圖元組裝(primitive assembly)。
  • 光柵器處理以後，幾何圖形已經被轉變成大量的獨立的像素。這些都是交給後端的(back end)的，它包括深度(depth)測試和模板(sencil)測試，片斷着色(fragment shading)，混合(blending)以及更新輸出圖像。