OpenGL渲染流程

OpenGL渲染流程

渲染框架

以前学习管线的时候，咱们知道OpenGL的渲染流程是有固定次序的。那么先了解下渲染框架：

认识OpenGL客户端和服务端的概念

这里的客户端和服务端都是对OpenGL而言。客户端将数据和渲染指令发送给服务端。

• 客户端是运行在CPU上的程序代码和OpenGL API的调用以及数据的传递。
• 服务端是OpenGL接收客户端的数据和指令后对GPU的调用。服务端对数据的处理流程大体上流程就是顶点着色器（Vertex Shader）->图元装配（Primitive Assembly）->片元着色器（Fragment Shader）->渲染（Render）。

着色器

着色器是使用GLSL编写的程序。GLSL看起来与C语言很是相似，实际上GLSL语言的程序甚至是以咱们熟悉的main函数开始的。这些着色器必须从源代码中编译和连接到-起(这一点仍然和C、C++程序很是相似)才能使用。最终准备就绪的着色器程序随后在第一阶段构成顶点着色器，在第二阶段构成片断着色器。请注意，咱们目前讨论的是简化的方式。实际上还有一种几何着色器能够(选择性地)安排在二者之间，就像用来将数据来回传递的全部类型的反馈机制同样。还有一些传递片断的处理特性，诸如混合、模板和深度测试。

顶点着色器处理从客户机输入的数据，应用变换，或者进行其余类型的数学运算来计算光照效果、位移、颜色值，等等。为了渲染一个共有3个顶点的三角形，顶点着色器将执行3次，也就是为每一个顶点执行一次。在目前的硬件上有多个执行单元同时运行，这就意味着全部这3个顶点均可以同时进行处理。今天的图形处理器属于大规模并行计算机。不要将它们和CPU相比而被时钟速度蒙蔽，它们比图形操做要快上几个数量级。

如今，3个顶点都作好了光栅化的准备。图元组合( Primitive Assembly )框图意在说明3个顶点已经组合在一块儿，而三角形已经逐个片断地进行了光栅化。每一个片断都经过执行片断着色器而进行了填充，片断着色器会输出咱们将在屏幕上看到的最终颜色值。再强调一次，今天的硬件是大规模并行运算的，同时执行上百个甚至更多的这种片断程序并不困难。

在OpenGL核心框架中，并无提供任何内建渲染管线，在提交一个几何图形进行渲染以前， 必须制定一个着色器。咱们可使用的存储着色器。这些存储着色器由GLTools 的C++类GLShaderManager进行管理，它们可以知足进行一般渲染的基本要求。

单位( ldentity)着色器

单位( ldentity )着色器只是简单地使用默认的笛卡尔坐标系(在全部坐标轴上的坐标范围都是1.0~1.0)。全部片断都应用同一种颜色，几何图形为实心和未渲染的。这种着色器只使用一个属性GLT_ATTRIBUTE_VERTEX。vColor参数包含了要求的颜色。

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

平面( Flat)着色器将统一着色器进行了扩展，容许为几何图形变换指定一个4x4变换矩阵。典型状况下这是一种左乘模型视图矩阵和投影矩阵，常常被称做“模型视图投影矩阵”。这种着色器只使用一个属性GLT_ATTRIBUTE__VERTEX。

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

这种着色器惟一的Uniform 值就是在几何图形中应用的变换矩阵。GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和 GLT_ATTRIBUTE_COLOR在这种着色器中都会使用。颜色值将被平滑地插入顶点之间(称为平滑着色)。

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

这种着色器创造出一种错觉，相似于由位于观察者位置的单漫射光所产生的效果。从本质上讲,这种着色器使对象产生阴影和光照的效果。这里须要模型视图矩阵、投影矩阵和做为基本色的颜色值等Uniform值。所需的属性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和GLT_ATTRIBUTE_NORMAL。大多数光照着色器都须要正规矩阵( normal matrix )做为Uniform值。

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

点光源着色器和默认光源着色器很类似，可是光源位置多是特定的。这种着色器接受4个Uniform值，即模型视图矩阵、投影矩阵、视点坐标系中的光源位置和对象的基本漫反射颜色。所需的属性有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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纹理替换矩阵

着色器经过给定的模型视图投影矩阵，使用绑定到nTextureUnit指定的纹理单元的纹理对几何图形进行变换。片断颜色是直接从纹理样本中直接获取的。所需的属性有GLT_ATTRIBUTE_VERTEX和GLT_ATTRIBUTE_NORMAL。

GLShaderManager::UseStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE, GLfloat mvpMatrix[16], GLint nTextureUnit);
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纹理调整着色器

这种着色器将一个基本色乘以一个取自纹理单元nTextureUnit 的纹理。所需的属性有 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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纹理光源着色器

这种着色器将一个纹理经过漫反射照明计算进行调整(相乘)，光线在视觉空间中的位置是给定的。这种着色器接受5个Uniform值，即模型视图矩阵、投影矩阵、视觉空间中的光源位置、几何图形的基本色和将要使用的纹理单元。所需的属性有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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固然咱们必须首先为这些着色器提供数据，不然什么也作不成。有3种向OpenGL着色器传递渲染数据方法可供程序员选择，即属性、uniform值和纹理。

客户端向服务端传输数据的三种管道

• attributes（属性）
  • 传输一些常常变更的数据。属性值能够是浮点型、整数或布尔数据。属性老是以思惟向量的形式进行内部存储的，即便咱们不会用到全部4个份量。好比顶点坐标、颜色值、位移、纹理坐标、光照法线。
  • 属性会从本地客户机内存中复制存储在图形硬件中(这种状况的可能性最大)的一个缓冲区上。这些属性只供顶点着色器使用，对于片断着色器来讲没什么意义。在可编程着色器中能够经过GLSL代码间接的传给片元着色器。
• uniform（统一值）
  • 比较统1、固定、通用的数据，uniform变量既能够是标量类型，也能够是矢量类型。咱们也可使用uniform矩阵。好比旋转矩阵（顶点着色器中使用），颜色转换矩阵（片元着色器中使用）。
  • 能够传给顶点着色器和片元着色器。
• textureData（纹理数据）
  • 纹理通道就是纹理数据了。通常来讲纹理数据无需传给顶点着色器。
  • 能够传给顶点着色器和片元着色器，通常只有片元着色器会用到。
• out（输出）
  • 输出数据是做为一个阶段着色器的输出定义的，而在后续阶段的着色器则是做为输入(in)定义的。
  • 输出类型的数据能够简单地从一个阶段传递到下一个阶段，也能够以不一样的方式插入。客户端的代码接触不到这些内部变量，可是它们在顶点着色器和片断着色器中(还可能包括可选的几何着色器)都进行了声明。
  • 顶点着色器为输出变量分配一个值，这个值是常量，也能够在图元被光栅化时插入到顶点之间。片断着色器对应的同名输入值接受这个常量或插入值。

图形文件渲染过程

• 在咱们的场景中，咱们主要考虑一个三维坐标空间。图形管线被拆解为主要的两部分。
  • 第一部分是前端(front end)，处理顶点和图元，最后把它们组成为点、线和三角形传递给光栅器。这个过程被称为图元组装(primitive assembly)。
  • 光栅器处理以后，几何图形已经被转变成大量的独立的像素。这些都是交给后端的(back end)的，它包括深度(depth)测试和模板(sencil)测试，片断着色(fragment shading)，混合(blending)以及更新输出图像。