OpenGL渲染管线

绝大数OpenGL实现都有相似的操作顺序，一系列相关的处理阶段称为OpenGL渲染管线。图1-2显示了这些顺序，虽然并没有严格规定OpenGL必须采用这样的实现，但它提供了一个可靠的指南，可以预测OpenGL将以什么样的顺序来执行这些操作。

如果读者刚开始涉足三维图形编程，可能会对接下来的内容感到吃力。读者现在可以跳过这一部分内容，但在读完这本书的每一章时，都应该重温一下图1-2。

图1-2显示了Henry Ford在福特汽车公司采用的装配线方法，它也是OpenGL处理数据的方法。几何数据(顶点，直线和多边形)所经历的处理阶段包括求值和基于顶点的操作，而像素数据(像素，图像和位图)的处理过程侧有所不同。在最终的像素数据写入到帧缓冲区之前，这两种类型的数据都将经过相同的最终步骤(光棚化和基于片断的操作)。

下面，我们更为详细地介绍OpenGL渲染管线的一些关键阶段。

1、显示列表 Display Lists

任何数据，不管它所描述的是几何图形还是像素，都可以保存在显示列表(display list)中，供当前或以后使用。当然，我们也可以不把数据保存在显示列表中，而是立即对数据进行处理，这种模式也称为立即模式(immediate mode)。当一个显示列表被执行时，被保存的数据就从显示列表中取出，就像在立即模式下直接由应用程序所发送的那样。

2、求值器 Evaluators

所有的几何图元最终都要通过顶点来描述。参数化曲线和表面最初可能是通过控制点以及成为基函数(Basic function)的多项式函数进行描述的。求职器提供了一种方法。根据控制点计算表示表面的顶点。这种方法是一种多项式映射，它可以根据控制点产生表面法线、纹理坐标、颜色以及空间坐标。

3、基于顶点的操作 Per-Vertex Operations

对于顶点数据，接下来的一个步骤就是"基于顶点的操作"，就是把顶点变换为图元。有些类型的顶点数据(例如空间坐标)是通过一个4*4 的浮点矩阵进行变换的。空间坐标从3D世界的一个位置投影到屏幕上的一个位置。如果启用了高级特性，这个阶段将更为忙碌。如果使用了纹理，这个阶段还将生成并变换纹理坐标。如果启用了光照，就需要综合变换后的顶点，表面法线，光源位置，材料属性以及其他光照信息进行光照计算，产生最终的颜色值。

4、图元装配 Primitive Assembly

图元装配的一个主要内容就是剪裁，它的任务是消除位于半空间(half-space)之外的那部分几何图元，而这个半空间是由一个平面所定义的。点剪裁就是简单地接受或拒绝顶点，直线或多边形剪裁则可能需要添加额外的顶点，具体取决于直线或多边形是如何进行剪裁的。在有些情况下，接下来需要执行一个称为透视除法(perspective division)的步骤。它使远处的物体看起来比近处的物体更小一些。接下来所进行的是视口(viewport)和深度(z 坐标)操作。如果启用了剔除功能(culling)并且该图元是个多边形，那么它就有可能被剔除测试所拒绝。取决于多边形模式，多边形可能被画成点的形式或者直线的形式。这个阶段所产生的结果就是完整的几何图元，也就是根据相关的颜色，深度(有时还有纹理坐标值以及和光棚化处理有关的一些指导信息)进行了变换和剪裁的顶点。

5、像素操作 Pixel Operations

在 OpenGL 的渲染管线中，和单路径的几何数据相比，像素数据所经历的流程有所不同。首先，来自系统内存的一个数组中的像素进行解包，从某种格式(像素的原始格式可能有多种)解包为适当数量的数据成分。接着，这些数据被缩放、偏移，并根据一副像素图进行处理。处理结果先进行截取，然后或者写入到纹理内存，或者发送到光棚化阶段。如果像素数据时从帧缓冲区读取的，就对他们执行像素转换操作(缩放、偏移、映射和截取)。然后，这些结果被包装为一种适当的格式，并返回到系统内存的一个数组中。OpenGL 有一种特殊的像素复制操作，可以把数据从帧缓冲区复制到帧缓冲区的其他位置或纹理内存中。这样，在数据写入到纹理内存或者写回到帧缓冲区之前，只需要进行一道像素转换就可以了。

6、纹理装配 Texture Assembly

OpenGL 应用程序可以在几何物体上应用纹理图像，使它们看上去更为逼真。如果需要使用多幅纹理图像，把它们放在纹理对象中是一种明智的做法。这样，就可以很方便地在他们之间进行切换。有些 OpenGL 实现拥有一些特殊的资源，可以加速纹理的处理。这种资源可能是专用的，高性能的纹理内存。如果确实拥有这种内存，纹理对象可能会优先进行处理，以控制这种有限和宝贵的资源的使用。

7、光棚化 Rasterization

光棚化就是把几何数据和像素数据转换为片断(fragment)的过程。每个片断方块对应用于帧缓冲区中的一个像素。把顶点连接起来形成直线或者计算填充多边形的内部像素时，需要考虑直线和多边形的点画模式，直线的宽度，点的大小，着色模型以及用于支持抗锯齿处理的覆盖计算。每个片断方块都将具有各自的颜色和深度值。

8、片断操作 Fragment Operations

在数据实际存储到帧缓冲区之前， 将要执行一系列的操作。这些操作可能会修改甚至丢弃这些片断。所有这些操作都可以被启用或禁用。第一个可能执行的操作时纹理处理。在纹理内存中为每个片断生成一个纹理单元(texel，也就是纹理元素)，并应用到这个片断上。接着可能进行的是雾计算，然后是剪裁测试，alpha测试，模板测试和深度缓冲区测试(深度缓冲区用于消除被隐藏的表面)。如果一个片断无法通过一个启用的测试，它的连续处理过程可能会被中断。随后，将要执行的可能是混合，抖动，逻辑操作以及根据一个位掩码的屏蔽操作。最后，经过完整处理的片断就被绘制到适当的缓冲区，最终成为一个像素并到达它的最终栖息地。

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