opengl从固定渲染管线到可编程渲染管线

流水线概述

下图描述了一个简化的图形处理流水线&＃xff0c;虽然简略但仍然可以展示着色器编程&＃xff08;shader programming&＃xff09;的一些重要概念。

一个固定流水线包括如下功能&＃xff1a;

顶点变换&＃xff08;Vertex Transformation&＃xff09;

这里一个顶点是一个信息集合&＃xff0c;包括空间中的位置、顶点的颜色、法线、纹理坐标等。这一阶段的输入是独立的顶点信息&＃xff0c;固定功能流水线在这一阶段通常进行如下工作&＃xff1a;

·顶点位置变换

·为每个顶点计算光照

·纹理坐标的生成与变换

图元组合和光栅化&＃xff08;Primitive Assembly and Rasterization&＃xff09;

此阶段的输入是变换后的顶点和连接信息&＃xff08;connectivity information&＃xff09;。连接信息告诉流水线顶点如何组成图元&＃xff08;三角形、四边形等&＃xff09;。此阶段还负责视景体&＃xff08;view frustum&＃xff09;裁剪和背面剔除。

光栅化决定了片断&＃xff08;fragment&＃xff09;&＃xff0c;以及图元的像素位置。这里的片断是指一块数据&＃xff0c;用来更新帧缓存&＃xff08;frame buffer&＃xff09;中特定位置的一个像素。一个片断除了包含颜色&＃xff0c;还有法线和纹理坐标等属性&＃xff0c;这些信息用来计算新的像素颜色值。

本阶段的输出包括&＃xff1a;

·帧缓存中片断的位置

·在顶点变换阶段计算出的信息对每个片断的插值

这个阶段利用在顶点变换阶段算出的数据&＃xff0c;结合连接信息计算出片断的数据。例如&＃xff0c;每个顶点包含一个变换后的位置&＃xff0c;当它们组成图元时&＃xff0c;就可以用来计算图元的片断位置。另一个例子是使用颜色&＃xff0c;如果多边形的每个顶点都有自己的颜色值&＃xff0c;那么多边形内部片断的颜色值就是各个顶点颜色插值得到的。

片断纹理化和色彩化&＃xff08;Fragment Texturing and Coloring&＃xff09;

此阶段的输入是经过插值的片断信息。在前一阶段已经通过插值计算了纹理坐标和一个颜色值&＃xff0c;这个颜色在本阶段可以用来和纹理元素进行组合。此外&＃xff0c;这一阶段还可以进行雾化处理。通常最后的输出是片断的颜色值以及深度信息。

光栅操作&＃xff08;Raster Operations&＃xff09;

此阶段的输入&＃xff1a;

·像素位置

·片断深度和颜色值

在这个阶段对片断进行一系列的测试&＃xff0c;包括&＃xff1a;

·剪切测试&＃xff08;scissor test&＃xff09;

·Alpha测试

·模版测试

·深度测试

如果测试成功&＃xff0c;则根据当前的混合模式&＃xff08;blend mode&＃xff09;用片断信息来更新像素值。注意混合只能在此阶段进行&＃xff0c;因为片断纹理化和颜色化阶段不能访问帧缓存。帧缓存只能在此阶段访问。

一幅图总结固定功能流水线&＃xff08;Visual Summary of the Fixed Functionality&＃xff09;

下图直观地总结了上述流水线的各个阶段&＃xff1a;

取代固定的功能&＃xff08;Replacing Fixed Functionality&＃xff09;

现在的显卡允许程序员自己编程实现上述流水线中的两个阶段&＃xff1a;

·顶点shader实现顶点变换阶段的功能

·片断shader替代片断纹理化和色彩化的功能

顶点处理器

顶点处理器用来运行顶点shader&＃xff08;着色程序&＃xff09;。顶点shader的输入是顶点数据&＃xff0c;即位置、颜色、法线等。

下面的OpenGL程序发送数据到顶点处理器&＃xff0c;每个顶点中包含一个颜色信息和一个位置信息。

[cpp] view plaincopy

1. glBegin(...);  
2.     glColor3f(0.2,0.4,0.6);  
3.     glVertex3f(-1.0,1.0,2.0);  
4.     glColor3f(0.2,0.4,0.8);  
5.     glVertex3f(1.0,-1.0,2.0);  
6. glEnd();  

1. glBegin(...);

2. glColor3f(0.2,0.4,0.6);

3. glVertex3f(-1.0,1.0,2.0);

4. glColor3f(0.2,0.4,0.8);

5. glVertex3f(1.0,-1.0,2.0);

6. glEnd();

一个顶点shader可以编写代码实现如下功能&＃xff1a;

·使用模型视图矩阵以及投影矩阵进行顶点变换

·法线变换及归一化

·纹理坐标生成和变换

·逐顶点或逐像素光照计算

·颜色计算

不一定要完成上面的所有操作&＃xff0c;例如你的程序可能不使用光照。但是&＃xff0c;一旦你使用了顶点shader&＃xff0c;顶点处理器的所有固定功能都将被替换。所以你不能只编写法线变换的shader而指望固定功能帮你完成纹理坐标生成。

从上一节已经知道&＃xff0c;顶点处理器并不知道连接信息&＃xff0c;因此这里不能执行拓扑信息有关的操作。比如顶点处理器不能进行背面剔除&＃xff0c;它只是操作顶点而不是面。

顶点shader至少需要一个变量&＃xff1a;gl_Position&＃xff0c;通常要用模型视图矩阵以及投影矩阵进行变换。顶点处理器可以访问OpenGL状态&＃xff0c;所以可以用来处理材质和光照。最新的设备还可以访问纹理。

片断处理器

片断处理器可以运行片断shader&＃xff0c;这个单元可以进行如下操作&＃xff1a;

·逐像素计算颜色和纹理坐标

·应用纹理

·雾化计算

·如果需要逐像素光照&＃xff0c;可以用来计算法线

片断处理器的输入是顶点坐标、颜色、法线等计算插值得到的结果。在顶点shader中对每个顶点的属性值进行了计算&＃xff0c;现在将对图元中的每个片断进行处理&＃xff0c;因此需要插值的结果。

如同顶点处理器一样&＃xff0c;当你编写片断shader后&＃xff0c;所有固定功能将被取代&＃xff0c;所以不能使用片断shader对片断材质化&＃xff0c;同时用固定功能进行雾化。程序员必须编写程序实现需要的所有效果。

片断处理器只对每个片断独立进行操作&＃xff0c;并不知道相邻片断的内容。类似顶点shader&＃xff0c;我们必须访问OpenGL状态&＃xff0c;才可能知道应用程序中设置的雾颜色等内容。

一个片断shader有两种输出&＃xff1a;

·抛弃片断内容&＃xff0c;什么也不输出

·计算片断的最终颜色gl_FragColor&＃xff0c;当要渲染到多个目标时计算gl_FragData。

还可以写入深度信息&＃xff0c;但上一阶段已经算过了&＃xff0c;所以没有必要。

需要强调的是片断shader不能访问帧缓存&＃xff0c;所以混合&＃xff08;blend&＃xff09;这样的操作只能发生在这之后。