OpenGL ES 2.0渲染管線 | Alex Zhou的BLOG

昵稱3554661 2015-07-01

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Opengl es 2.0實現(xiàn)了可編程的圖形管線，比起1.x的固定管線要復雜和靈活很多，由兩部分規(guī)范組成：Opengl es 2.0 API規(guī)范和Opengl es著色語言規(guī)范。下圖是Opengl es 2.0渲染管線，陰影部分是opengl es 2.0的可編程階段。

1. 頂點著色器(VertexShader)

頂點著色器對頂點實現(xiàn)了一種通用的可編程方法。

頂點著色器的輸入數(shù)據(jù)由下面組成：

Attributes：使用頂點數(shù)組封裝每個頂點的數(shù)據(jù)，一般用于每個頂點都各不相同的變量，如頂點位置、顏色等。

Uniforms：頂點著色器使用的常量數(shù)據(jù)，不能被著色器修改，一般用于對同一組頂點組成的單個3D物體中所有頂點都相同的變量，如當前光源的位置。

Samplers：這個是可選的，一種特殊的uniforms，表示頂點著色器使用的紋理。

Shader program：頂點著色器的源碼或可執(zhí)行文件，描述了將對頂點執(zhí)行的操作。

頂點著色器的輸出數(shù)據(jù)是varying變量，在圖元光柵化階段，這些varying值為每個生成的片元進行計算，并將結果作為片元著色器的輸入數(shù)據(jù)。從分配給每個頂點的原始varying值來為每個片元生成一個varying值的機制叫做插值。

頂點著色器數(shù)據(jù)的輸入和輸出可以參考下圖：

頂點著色器可用于傳統(tǒng)的基于頂點的操作，例如：基于矩陣變換位置，進行光照計算來生成每個頂點的顏色，生成或者變換紋理坐標。

另外因為頂點著色器是由應用程序指定的，所以你可以用來進行任意自定義的頂點變換。

下面是一個用opengl es著色器語言編寫的頂點著色器源碼，這個頂點著色器使用一個position和跟它相關聯(lián)的color數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，通過一個4×4矩陣變換位置，然后輸出變換后的位置和顏色數(shù)據(jù)。

1. // uniforms used by the vertex shader

2. uniform mat4 u_mvpMatrix; // matrix to convert P from model

3. // space to normalized device space.

4.

5. // attributes input to the vertex shader

6. attribute vec4 a_position; // position value

7. attribute vec4 a_color; // input vertex color

8.

9. // varying variables – input to the fragment shader

10. varying vec4 v_color; // output vertex color

11.

12. void

13. main()

14. {

15. v_color = a_color;

16. gl_Position = u_mvpMatrix * a_position;

17. }

第2行代碼定義了一個uniform變量u_mvpMatrix，mat4表示4×4浮點數(shù)矩陣，該變量存儲了組合模型視圖和投影矩陣。6和7行代碼定義了頂點著色器的輸入數(shù)據(jù)：Attributes，vec4表示包含了4個浮點數(shù)的向量，a_position是頂點位置屬性，a_color是頂點顏色屬性。第10行代碼定義了varying類型的變量v_color，varying是用于從頂點著色器傳遞到片元著色器的變量，v_color是頂點著色器的輸出數(shù)據(jù)，存儲了每個頂點的顏色。12-17行的main函數(shù)是頂點著色器和片元著色器的入口，第15行讀取了頂點著色器輸入屬性中a_color的值，并把它賦值給輸出數(shù)據(jù)v_color，第16行的gl_Position 是內(nèi)置的varying變量，不需要聲明，頂點著色器必須把變換后的位置賦值給它。

2.圖元裝配(Primitive Assembly)
頂點著色器之后，渲染流水線的下一個階段是圖元裝配，圖元是一個能用opengl es繪圖命令繪制的幾何體，繪圖命令指定了一組頂點屬性，描述了圖元的幾何形狀和圖元類型。頂點著色器使用這些頂點屬性計算頂點的位置、顏色以及紋理坐標，這樣才能傳到片元著色器。在圖元裝配階段，這些著色器處理過的頂點被組裝到一個個獨立的幾何圖元中，例如三角形、線、點精靈。對于每個圖元，必須確定它是否位于視椎體內(nèi)(3維空間顯示在屏幕上的可見區(qū)域)，如果圖元部分在視椎體中，需要進行裁剪，如果圖元全部在視椎體外，則直接丟棄圖元。裁剪之后，頂點位置轉換成了屏幕坐標。背面剔除操作也會執(zhí)行，它根據(jù)圖元是正面還是背面，如果是背面則丟棄該圖元。經(jīng)過裁剪和背面剔除操作后，就進入渲染流水線的下一個階段：光柵化。

3. 光柵化(Rasterization)
光柵化階段把圖元轉換成片元集合，之后會提交給片元著色器處理，這些片元集合表示可以被繪制到屏幕的像素。如下圖所示：

4. 片元著色器(FragmentShader)

片元著色器對片元實現(xiàn)了一種通用的可編程方法，它對光柵化階段產(chǎn)生的每個片元進行操作，需要的輸入數(shù)據(jù)如下：

Varying variables：頂點著色器輸出的varying變量經(jīng)過光柵化插值計算后產(chǎn)生的作用于每個片元的值。

Uniforms：片元著色器使用的常量數(shù)據(jù)

Samplers：一種特殊的uniforms，表示片元著色器使用的紋理。

Shader program：片元著色器的源碼或可執(zhí)行文件，描述了將對片元執(zhí)行的操作。

片元著色器也可以丟棄片元或者為片元生成一個顏色值，保存到內(nèi)置變量gl_FragColor。光柵化階段產(chǎn)生的顏色、深度、模板和屏幕坐標(Xw, Yw)成為流水線中pre-fragment階段(FragmentShader之后)的輸入。如下圖：

下面是一個簡單的片元著色器源碼，可以跟上面的頂點著色器源碼結合繪制一個高洛德著色的三角形。

1. precision mediump float;

2.

3. varying vec4 v_color; // input vertex color from vertex shader

4.

5.

6. void

7. main(void)

8. {

9. gl_FragColor = v_color;

10.}

第1行代碼設置默認的精度修飾符，有highp、mediump、lowp，這個后面再詳細解釋。第3行代碼定義了片元著色器的輸入數(shù)據(jù)，頂點著色器必須賦值給片元著色器一組一樣的varying變量。注意：gl_FragColor是片元著色器唯一的輸出，第9行代碼把輸入數(shù)據(jù)v_color賦值給gl_FragColor。

5. 逐個片元操作階段(Per-Fragment Operations)
片元著色器之后就是逐個片元操作階段，包括一系列的測試階段。一個光柵化階段產(chǎn)生的具有屏幕坐標(Xw, Yw)的片元，只能修改framebuffer(幀緩沖)中位置在(Xw, Yw)的像素。下圖是Opengl es 2.0逐片元操作的過程：

Pixel ownership test：像素所有權測試決定framebuffer中某一個(Xw, Yw)位置的像素是否屬于當前Opengl ES的context，比如：如果一個Opengl ES幀緩沖窗口被其他窗口遮住了，窗口系統(tǒng)將決定被遮住的像素不屬于當前Opengl ES的context，因此也就不會被顯示。
Scissor test：裁剪測試決定位置為(Xw, Yw)的片元是否位于裁剪矩形內(nèi)，如果不在，則被丟棄。
Stencil and depth tests：模板和深度測試傳入片元的模板和深度值，決定是否丟棄片元。
Blending：將新產(chǎn)生的片元顏色值和framebuffer中某個(Xw, Yw)位置存儲的顏色值進行混合。
Dithering：抖動可以用來最大限度的減少使用有限精度存儲顏色值到framebuffer的工件。
逐片元操作之后，片元要么被丟棄，要么一個片元的顏色，深度或者模板值被寫入到framebuffer的(Xw, Yw)位置，不過是否真的會寫入還得依賴于write masks啟用與否。write masks能更好的控制顏色、深度和模板值寫入到合適的緩沖區(qū)。例如：顏色緩沖區(qū)中的write mask可以被設置成沒有紅色值寫入到顏色緩沖區(qū)。另外，Opengl ES 2.0提供從framebuffer中獲取像素的接口，不過需要記住的是像素只能從顏色緩沖區(qū)讀回，深度和模板值不能讀回。

注意：Opengl ES 2.0 的Per-Fragment Operations已經(jīng)不再支持Alpha test 和 LogicOp了，這兩個步驟在 OpenGL 2.0 和 OpenGL ES 1.x中是存在的。Alpha test 階段不再需要的原因是片元著色器可以丟棄片元，所以可以在片元著色器中執(zhí)行Alpha test。 LogicOp因為很少使用，所以不再支持了。

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