OpenGL-图形渲染过程

一，渲染管线

在OpenGL中任何事物都处于3D空间中，但屏幕和窗口却都是2D像素数组，这就导致了OpenGL大部分工作都是关于把3D坐标转变为适配你屏幕的2D像素，而这一过程都是由图形渲染管线完成的。

图形渲染管线(3D坐标 => 2D坐标)
主要可划分为以下两个部分

• 第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标
• 第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素

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二，图形渲染管线处理流程

大概的流程可参见下图

image.png
OpenGL 首先接收用户提供的几何数据(顶点和几何图元)，并且将它输入到一系列着色器阶段中进行处理，包括:顶点着色、细分着色(它本身包含两个着色器)，以及最后的几何着色，然后它将被送入光栅化单元(rasterizer)。光栅化单元负责对所有剪切区域(clipping region)内的图元生成片元数据，然后对每个生成的片元都执行一个片元着色器。

• 着色器在OpenGL应用程序里扮演了最主要的角色
• 你可以控制使用不同的着色器来实现自己所需的功能
• 只有顶点着色器和片元着色器是必须的，细分和几何着色器是可选的步骤

顶点数据

• 顶点数组（VertexArray）

顶点指的是我们在绘制一个图形时，它的顶点位置数据，而这个数据可以直接存储在数组中或者将其缓存到GPU内存中

顶点数组指定每个顶点的属性，是保存应用程序地址空间的缓冲区。他们作为顶点缓冲对象的基础，提供指定顶点属性数据的一个高效、灵活的手段

• 顶点缓冲区（VertexBuffer）

顶点数组指定的顶点数据保存在客户内存中。在进行glDrawArrays或者glDrawElements等绘图调用时，这些数据必须同客户内存复制到图形内存。

没必要每次绘图时都复制顶点数据，而是在图形内存中缓存这些数据，这样可以显著改善渲染性能，也可以降低内存带宽和电力消耗需求。这就是顶点缓冲区对象发挥作用的地方

顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO
顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO
索引缓冲对象：Element Buffer Object，EBO或Index Buffer Object，IBO

在定义好顶点数据以后，需要在内存中存储这些顶点，我们通过顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)管理这个内存，它会在GPU内存（通常被称为显存）中储存大量顶点。使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。

缓冲区保存在GPU内存中， 可以在CPU不介入的情况下，完成数据操作。

下面是一个生成顶点缓冲区的例子

void initVertexBufferObjects(vertex_t *vertexBuffer,GLushort *indices,
GLuint numVertices,GLuint numIndices,GLuint *vboIds) {
/* 获取vboIds中两个未用的缓冲区对象名称。
然后vboIds返回的未使用的缓冲区对象名称用于创建一个数组缓冲区对象和一个元素数组缓冲区对象。
数组缓冲区对象用于保存一个或多个图元的顶点属性数据。
*/
  glGenBuffers(2, vboIds);
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboIds[0]);

  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, numVertices *sizeof(vertex_t),vertexBuffer, GL_STATIC_DRAW);

  glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vboIds[1]);

  glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, numIndices *sizeof(GLushort),indices, GL_STATIC_DRAW);
}

glGenBuffers(GLsizei n, GLuint * buffers)：分配n个缓冲区对象名称，并在buffers中返回它们。

glBindBuffer用于指定当前缓冲区对象。第一次通过调用
glBindBuffer绑定缓冲区对象名称时，缓冲区对象可以默认状态分配；如果分配成功，则分配的对象绑定微目标的当前缓冲区对象。
glBufferData 用于创建和初始化顶点数组或元素数组。

PS:

• 顶点数据是由GPU来处理的（顶点数据->GPU内存）
• 顶点缓冲区(不在内存！-> 显卡显存中)

顶点着色器（VertexShader）

• 顶点着色器对顶点实现了一种通用的可编程方法，它一般用来处理图形每个顶点变换（旋转/平移/投影等）
• 顶点着色器是OpenGL中用于计算顶点属性的程序。每个顶点都会执行依次顶点着色器，执行顺序是按照存储在顶点数组的顺序依次处理(一般是逆时针)。

顶点着色器的输入数据由下面组成：
*Attributes：使用顶点数组封装每个顶点的数据，一般用于每个顶点都各不相同的变量，如顶点位置、颜色等。
*Uniforms：顶点着色器使用的常量数据，不能被着色器修改，一般用于对同一组顶点组成的单个3D物体中所有顶点都相同的变量，如当前光源的位置。
*Samplers：这个是可选的，一种特殊的uniforms，表示顶点着色器使用的纹理。
*Shader program：顶点着色器的源码或可执行文件，描述了将对顶点执行的操作。

顶点着色器的输出数据是varying（易变）变量，在图元光栅化阶段，这些varying值为每个生成的片元进行计算，并将结果作为片元着色器的输入数据。从分配给每个顶点的原始varying值来为每个片元生成一个varying值的机制叫做插值。

顶点着色器数据的输入和输出

光栅化（Rasterization）

• 光栅化（Rasterization）是把顶点数据转换为片元的过程，具有将图转化为一个个栅格组成的图象的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区中的一像素。

• 光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。
  第一部分工作：决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用；
  第二部分工作：分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。光栅化过程产生的是片元。

• 把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换为屏幕上用于对应位置的像素及用于填充像素的颜色，这个过程称为光栅化，这是一个将模拟信号转化为离散信号的过程。

简而言之，光栅化阶段绘制对应的图元(点、线、三角形)，将图元转化为一组二维数组的过程，然后传递给片元着色器处理。这些二维数组代表屏幕上绘制的像素

点光栅化

片元着色器（FragmentShader）

片元着色器主要是对光栅化处理后生成的片元逐个进行处理（并行）。接收顶点着色器输出的值，需要传入的数据，以及它经过变换矩阵后输出值存储位置。

• 着色器程序——描述片元所执行的片元着色器程序源代码
• 输入变量——光栅器对顶点着色器插值后的输出值
• 统一变量——片元(或顶点)着色器使用的不变的数据

• 采样器——代表片元着色器所用纹理的一种特殊的统一变量类型

  
  片元着色器输入和输出关系

混合（Blending）

• Blend 混合是将源色和目标色以某种方式混合生成特效的技术。混合常用来绘制透明或半透明的物体。

• 在混合中起关键作用的α值实际上是将源色和目标色按给定比率进行混合，以达到不同程度的透明。α值为0则完全透明，α值为1则完全不透明。混合操作只能在RGBA模式下进行，颜色索引模式下无法指定α值。物体的绘制顺序会影响到OpenGL的混合处理。

glEnable( GL_BLEND );   // 启用混合
glDisable( GL_BLEND );  // 禁用关闭混合
 
// 获得混合的信息
glGet( GL_BLEND_SRC );
glGet( GL_BLEND_DST );
glIsEnable( GL_BLEND );

关于混合可以参考这篇文章