【轉載】關於OpenGL的圖形流水線

 

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本文轉載自 http://blog.csdn.net/racehorse/article/details/6593719 GLSL教程

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這是一些列來自lighthouse3d的GLSL教程，很是適合入門。我將邊學習邊翻譯該教程的內容，同時記錄在這裏，方便之後查詢。

 

流水線概述

下圖描述了一個簡化的圖形處理流水線，雖然簡略但仍然能夠展現着色器編程（shader programming）的一些重要概念。

一個固定流水線包括以下功能：

頂點變換（Vertex Transformation）

這裏一個頂點是一個信息集合，包括空間中的位置、頂點的顏色、法線、紋理座標等。這一階段的輸入是獨立的頂點信息，固定功能流水線在這一階段一般進行以下工做：

·頂點位置變換

·爲每一個頂點計算光照

·紋理座標的生成與變換

圖元組合和光柵化（Primitive Assembly and Rasterization）

此階段的輸入是變換後的頂點和鏈接信息（connectivity information）。鏈接信息告訴流水線頂點如何組成圖元（三角形、四邊形等）。此階段還負責視景體（view frustum）裁剪和背面剔除。

光柵化決定了片段（fragment），以及圖元的像素位置。這裏的片段是指一塊數據，用來更新幀緩存（frame buffer）中特定位置的一個像素。一個片段除了包含顏色，還有法線和紋理座標等屬性，這些信息用來計算新的像素顏色值。

本階段的輸出包括：

·幀緩存中片段的位置

·在頂點變換階段計算出的信息對每一個片段的插值

這個階段利用在頂點變換階段算出的數據，結合鏈接信息計算出片段的數據。例如，每一個頂點包含一個變換後的位置，當它們組成圖元時，就能夠用來計算圖元的片段位置。另外一個例子是使用顏色，若是多邊形的每一個頂點都有本身的顏色值，那麼多邊形內部片段的顏色值就是各個頂點顏色插值獲得的。

片段紋理化和色彩化（Fragment Texturing and Coloring）

此階段的輸入是通過插值的片段信息。在前一階段已經經過插值計算了紋理座標和一個顏色值，這個顏色在本階段能夠用來和紋理元素進行組合。此外，這一階段還能夠進行霧化處理。一般最後的輸出是片段的顏色值以及深度信息。

光柵操做（Raster Operations）

此階段的輸入：

·像素位置

·片段深度和顏色值

在這個階段對片段進行一系列的測試，包括：

·剪切測試（scissor test）

·Alpha測試

·模版測試

·深度測試

若是測試成功，則根據當前的混合模式（blend mode）用片段信息來更新像素值。注意混合只能在此階段進行，由於片段紋理化和顏色化階段不能訪問幀緩存。幀緩存只能在此階段訪問。

一幅圖總結固定功能流水線（Visual Summary of the Fixed Functionality）

下圖直觀地總結了上述流水線的各個階段：

取代固定的功能（Replacing Fixed Functionality）

如今的顯卡容許程序員本身編程實現上述流水線中的兩個階段：

·頂點shader實現頂點變換階段的功能

·片段shader替代片段紋理化和色彩化的功能

 

頂點處理器

頂點處理器用來運行頂點shader（着色程序）。頂點shader的輸入是頂點數據，即位置、顏色、法線等。

下面的OpenGL程序發送數據到頂點處理器，每一個頂點中包含一個顏色信息和一個位置信息。

 

glBegin(...);
    glColor3f(0.2,0.4,0.6);
    glVertex3f(-1.0,1.0,2.0);
    glColor3f(0.2,0.4,0.8);
    glVertex3f(1.0,-1.0,2.0);
glEnd();

　　

一個頂點shader能夠編寫代碼實現以下功能：

 

·使用模型視圖矩陣以及投影矩陣進行頂點變換

·法線變換及歸一化

·紋理座標生成和變換

·逐頂點或逐像素光照計算

·顏色計算

不必定要完成上面的全部操做，例如你的程序可能不使用光照。可是，一旦你使用了頂點shader，頂點處理器的全部固定功能都將被替換。因此你不能只編寫法線變換的shader而期望固定功能幫你完成紋理座標生成。

從上一節已經知道，頂點處理器並不知道鏈接信息，所以這裏不能執行拓撲信息有關的操做。好比頂點處理器不能進行背面剔除，它只是操做頂點而不是面。

頂點shader至少須要一個變量：gl_Position，一般要用模型視圖矩陣以及投影矩陣進行變換。頂點處理器能夠訪問OpenGL狀態，因此能夠用來處理材質和光照。最新的設備還能夠訪問紋理。

 

片段處理器

片段處理器能夠運行片段shader，這個單元能夠進行以下操做：

·逐像素計算顏色和紋理座標

·應用紋理

·霧化計算

·若是須要逐像素光照，能夠用來計算法線

片段處理器的輸入是頂點座標、顏色、法線等計算插值獲得的結果。在頂點shader中對每一個頂點的屬性值進行了計算，如今將對圖元中的每一個片段進行處理，所以須要插值的結果。

如同頂點處理器同樣，當你編寫片段shader後，全部固定功能將被取代，因此不能使用片段shader對片段材質化，同時用固定功能進行霧化。程序員必須編寫程序實現須要的全部效果。

片段處理器只對每一個片段獨立進行操做，並不知道相鄰片段的內容。相似頂點shader，咱們必須訪問OpenGL狀態，纔可能知道應用程序中設置的霧顏色等內容。

一個片段shader有兩種輸出：

·拋棄片段內容，什麼也不輸出

·計算片段的最終顏色gl_FragColor，當要渲染到多個目標時計算gl_FragData。

還能夠寫入深度信息，但上一階段已經算過了，因此沒有必要。

須要強調的是片段shader不能訪問幀緩存，因此混合（blend）這樣的操做只能發生在這以後。