OpengGl学习03 渲染管线

Dear 丶 2024-02-18 18:17 64阅读 0赞

渲染管线（rendering pipeline）：它是一系列数据处理过程，并且将应用程序的数据转换到最终渲染的图像。流程如下：

![Center][]

OpenGL首先接收用户提供的几何数据（顶点和几何图元），并且将他们输入到一些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。

（1）准备向OpenGL传输数据： OpenGL需要将所有的数据都保存到缓存对象（buffer object）中，他相当于OpenGL服务端维护的一块内存区域。我们可以使用多种方式来创建这样的数据缓存，最常见的就是glBufferData()命令。

（2）将数据传输到OpenGL：当将缓存初始化完毕之后，我们可以通过OpenGL的一个绘制命令来请求渲染几何图元。如glDrawArray()就是一个常用的绘制命令。OpenGL的绘制通常是将顶点数据传输到OpenGL服务端，我们可以将一个顶点是为一个需要统一处理的数据包。这个包的数据可以是我们需要的任何数据（也就是说，我们自己负责定义构成顶点的所有数据）。其他的数据可能用来定义一个像素的最终颜色。

（3）顶点着色：对于绘制命令传输的每个顶点，OpenGL都会调用一个顶点着色器来处理顶点相关的数据。根据其他光栅化之前的着色器的活跃与否，顶点着色器可能会非常简单，例如，只是将数据复制并传递到下一个着色阶段，这叫做传递着色器（pass-through-shader）；它也可能非常复杂，例如，执行大量的计算来得到顶点在屏幕上的位置（一般情况下，我们会用到变换矩阵（transformation matrix）的概念），或者通过光照的计算来判断定点的颜色，或者其他一些技法的实现。通常来说，一个复杂的应用程序可能包含多个顶点着色器，但是在同一时刻只能有一个顶点着色器起作用。

（4）细分着色：顶点着色器处理每个顶点的关联数据之后，如果同时激活了细分着色器（tessellation shader），那么它将进一步处理这些数据。细分着色器会使用Patch来描述一个物体的形状，并且使用相对简单的Patch几何体连接来完成细分工作，其结果是几何图元的数量增加，并且模型的外观会变得更为平顺。细分着色器阶段会用到两个着色器来分别管理Patch数据并生成最终的形状。

（5）几何着色：允许在光栅化之前对每个几何图元做更进一步的处理，例如创建新的图元。这个着色器阶段也是可以选的。

（6）图元装配：前面所有的着色阶段所处理的都是顶点数据，此外，这些顶点之间如何构成几何图元的所有信息也会被传递到OpenGL当中。图元装配阶段将这些顶点与相关的几何图元之间组织起来，准备下一步的剪切和光栅化工作。

（7）剪切：顶点可能会落在视口（viewport）之外——也就是我们可以进行绘制的窗口区域——此时与顶点相关的图元会做出改动，以保证相关的像素不会在视口外绘制。这一过程叫做剪切（clipping），它是由OpenGL自动完成的。

（8）光栅化：剪切之后，会将更新后的图元传递到光栅化单元，生成对应的片元。我们可以将一个片元视为一个“候选的像素”，也就是可以放置在帧缓存中的像素，但是它也可能被最终剔除，不再更新对应的像素位置。之后的两个阶段会执行片元的处理，即片元着色和逐片元的操作。

（9）片元着色：使用着色器来计算片元的最终颜色和它的深度值。片元着色器非常强大，我们可以使用纹理映射的方式，对顶点处理阶段所计算的颜色进行补充。如果我们觉得不应该继续绘制某个片元，我们还可以终止这个片元的处理，这个叫做片元的丢弃（discard）。顶点着色器与片元着色器的区别：顶点着色器（包括细分和几何着色）决定了一个图元应该位于屏幕的什么位置，而片元着色使用这些信息来决定某个片元的颜色应该是什么。

（10）逐片元的操作：在这个阶段，我们会使用深度测试（depth test 通常也称作z-buffering）和模板测试（stencil test）的方式来决定一个片元是否可见。如果一个片元通过了素有的测试，那么它就可以直接绘制到帧缓存中了，它对应的像素的颜色值（可能包括深度值）会被更新，如果开启了融合（blending）模式，那么片元的颜色会与该像素当前的颜色相叠加，形成一个新的颜色值并写入帧缓存中。

[Center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/f971c7500983496c83b1e5e1411bf1e0.png