如何理解OpenGL 中着色器、渲染管线、光栅化等概念?

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在OpenGL中,任何事物都在3D空间中,而屏幕和窗口却是2D像素数组,这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应你屏幕的2D像素。3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线(Graphics Pipeline,大多译为管线,实际上指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道,期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程)管理的。

图形渲染管线可以被划分为两个主要部分: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。

注:2D坐标和像素也是不同的,2D坐标精确表示一个点在2D空间中的位置,而2D像素是这个点的近似值,2D像素受到你的屏幕/窗口分辨率的限制。

图形渲染管线接受一组3D坐标,然后把它们转变为你屏幕上的有色2D像素输出。图形渲染管线可以被划分为几个阶段,每个阶段将会把前一个阶段的输出作为输入。所有这些阶段都是高度专门化的(它们都有一个特定的函数),并且很容易并行执行。正是由于它们具有并行执行的特性,当今大多数显卡都有成千上万的小处理核心,它们在GPU上为每一个(渲染管线)阶段运行各自的小程序,从而在图形渲染管线中快速处理你的数据。这些小程序叫做着色器(Shader)。

有些着色器允许开发者自己配置,这就允许我们用自己写的着色器来替换默认的。这样我们就可以更细致地控制图形渲染管线中的特定部分了,而且因为它们运行在GPU上,所以它们可以给我们节约宝贵的CPU时间。OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language, GLSL)写成的。

下面,你会看到一个图形渲染管线的每个阶段的抽象展示。要注意蓝色部分代表的是我们可以注入自定义的着色器的部分。

如何理解OpenGL 中着色器、渲染管线、光栅化等概念?

如你所见,图形渲染管线包含很多部分,每个部分都将在转换顶点数据到最终像素这一过程中处理各自特定的阶段。下边将概括性地解释一下渲染管线的每个部分,让你对图形渲染管线的工作方式有个大概了解。

首先,我们以数组的形式传递3个3D坐标作为图形渲染管线的输入,用来表示一个三角形,这个数组叫做顶点数据(Vertex Data);顶点数据是一系列顶点的集合。一个顶点(Vertex)是一个3D坐标的数据的集合。而顶点数据是用顶点属性(Vertex Attribute)表示的,它可以包含任何我们想用的数据,但是简单起见,我们还是假定每个顶点只由一个3D位置(当我们谈论一个“位置”的时候,它代表在一个“空间”中所处地点的这个特殊属性;同时“空间”代表着任何一种坐标系,比如x、y、z三维坐标系,x、y二维坐标系,或者一条直线上的x和y的线性关系,只不过二维坐标系是一个扁扁的平面空间,而一条直线是一个很瘦的长长的空间)和一些颜色值组成的吧。

为了让OpenGL知道我们的坐标和颜色值构成的到底是什么,OpenGL需要你去指定这些数据所表示的渲染类型。我们是希望把这些数据渲染成一个点?一个三角形?还是仅仅是一个长长的线?做出的这些提示叫做图元(Primitive),任何一个绘制指令的调用都将把图元传递给OpenGL。这是其中的几个:GL_POINTS、GL_TRIANGLES、GL_LINE_STRIP。

图形渲染管线的第一个部分是顶点着色器(Vertex Shader),它把一个单独的顶点作为输入。顶点着色器主要的目的是把3D坐标转为另一种3D坐标(后面会解释),同时顶点着色器允许我们对顶点属性进行一些基本处理。

图元装配(Primitive Assembly)阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入(如果是GL_POINTS,那么就是一个顶点),并所有的点装配成指定图元的形状;比如本例子是一个三角形。

图元装配阶段的输出会传递给几何着色器(Geometry Shader)。几何着色器把图元形式的一系列顶点的集合作为输入,它可以通过产生新顶点构造出新的(或是其它的)图元来生成其他形状。例子中,它生成了另一个三角形。

几何着色器的输出会被传入光栅化阶段(Rasterization Stage),这里它会把图元映射为最终屏幕上相应的像素,生成供片段着色器(Fragment Shader)使用的片段(Fragment)。在片段着色器运行之前会执行裁切(Clipping)。裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素,用来提升执行效率。

OpenGL中的一个片段是OpenGL渲染一个像素所需的所有数据。

片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色,这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常,片段着色器包含3D场景的数据(比如光照、阴影、光的颜色等等),这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。

在所有对应颜色值确定以后,最终的对象将会被传到最后一个阶段,我们叫做Alpha测试和混合(Blending)阶段。这个阶段检测片段的对应的深度(和模板(Stencil))值,用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面,决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值(alpha值定义了一个物体的透明度)并对物体进行混合(Blend)。所以,即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色,在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。

可以看到,图形渲染管线非常复杂,它包含很多可配置的部分。然而,对于大多数场合,我们只需要配置顶点和片段着色器就行了。几何着色器是可选的,通常使用它默认的着色器就行了。

在OpenGL中,我们必须定义至少一个顶点着色器和一个片段着色器(因为GPU中没有默认的顶点/片段着色器)。出于这个原因,刚开始学习现代OpenGL的时候可能会非常困难,因为在你能够渲染自己的第一个三角形之前已经需要了解一大堆知识了。

作者:格东西
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来源:知乎
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