OpenGL图形渲染（绘制）管线介绍

图形学最基本，也是最全局的问题，渲染管线，渲染和绘制同意（rendering），因为个人习惯，本文皆用绘制一词来表述。图形绘制管线分三大步，分别是应用部分、几何部分和光栅化部分。下图描述了几何部分和光栅化部分的大致流程，左侧是经典的ES 2.0管线，右边为引入了几何细分和几何两个着色器的新管线。

OpenGL绘制管线简图： ES 2.0（左） 和 ES 4.0（右）

应用部分

图形是由一些基本的数据元素组成的，如顶点、面（顶点之间的连接关系），颜色和材料等。应用部分首先包括了这些数据的IO，用户交互的处理，对数据的预处理等等，通常都是在CPU上进行的。数据的IO主要是从文件中根据不同文件格式（常见格式.ply, .obj和.stl等）的定义将图形的各种数据元素读入内存。
用户交互的处理主要是记录并计算用户的交互动作，例如用户鼠标移动后，我们根据鼠标移动的距离和方向，计算出图形需要旋转的角度。用户交互可以包括旋转、平移、缩放、光照变化等各种因素，均有程序员在CPU上根据一定的逻辑进行处理。

数据的预处理主要指图形的处理，例如平滑，简化，碰撞检测等等，这些主要针对特定的逻辑需求来设计。
应用部分将顶点、面、颜色和模型变换矩阵等信息传入GPU后，进行后面的几何部分和光栅化部分操作。
应用部分将基本图元的数据以合理的顺序组织好后（如三角形各顶点的顺序）设置为VAO（顶点顺序和连接方式）和VBO（顶点数据），传入GPU，进入后续的几何部分和光栅化部分。

几何部分

几何部分首先是对顶点的处理，即顶点着色器（vertex shader）。顶点数据传入GPU后，顶点着色器中的代码执行，顶点着色器中的代码是针对每一个顶点执行的。通常包括MVP变换，注意缩放旋转平移的顺序是先缩放、再旋转、再平移。

Model View Projection 变换
MVP变换中的Model变换实现模型坐标到世界坐标的变换，View变换实现世界坐标到相机坐标的变换（注意的是，相机右手边是X正方向，头顶是Y正方向，穿心方向是Z正方向。），Projection变换实现了从相机坐标到其次坐标的变换。M和V都是简单的旋转平移缩放矩阵，而P矩阵则较难理解，P矩阵的参数包括FoV（视域角度）、长宽比、近平面和远平面，具体的理解和推导可以参考此文和此文。

（可选）顶点着色器后有一个细分曲面着色器（tessellation shader），是OpenGL ES4.0以后新增的部分，它使用新的数据结构patch来描述经过顶点着色器处理后的几何图元，从而达到更平滑真实的效果。

（可选）细分曲面着色器后面还有几何着色器（geometry shader）的选项，是针对基本图元的操作，例如三角形或者patch，而不像顶点着色器那样是对顶点进行操作，它的输入是图元，输出也是图元（未必一一对应）。

在完成上述三个着色器（顶点、细分曲面和几何）后，进入顶点后处理阶段，GPU对顶点进行一些额外的处理，例如裁剪和视口变换。顶点后处理之后，是图元装配阶段，将之前处理过的顶点装配城基本图元，并做（可选）可见面剔除，经过剔除后的图元就进入光栅化阶段。

光栅化部分

在光栅化阶段，几何图元被插值采样成像素，片段着色器（fragment shader）就是对每个像素进行操作。通常在片段着色器中我们对片段（像素）的颜色进行计算，包括纹理映射和光照等。片段着色器的输出，是每个片段（像素）的颜色值、深度值和模板（stencil）值。

在片段着色器之后的逐样本（像素）操作中，GPU根据深度值和模板值进行（可选）深度测试和（可选）模板测试，通过深度测试和模板测试的像素颜色将被保留，否则将被舍弃。

最后，经过上面的应用、几何和光栅化三个阶段，一个与屏幕（窗口）大小相同的二维矩阵颜色值，将被写入帧缓存，也就是最后绘制完成的图像。

参考

OpenGL Rendering Pipeline Overview
章节：矩阵 - Learn OpenGL 中文版
The Perspective and Orthographic Projection Matrix
【光能蜗牛的图形学之旅】OpenGL顶点变换全体流程以及投影矩阵推导