在這一章，我們會學(xué)習(xí)什么是著色器（Shader），什么是著色器語言（OpenGL Shading Language-GLSL），以及著色器怎么和OpenGL程序交互。

首先我們先來看看什么叫著色器。

Shader(著色器)是用來實(shí)現(xiàn)圖像渲染的，用來替代固定渲染管線的可編程程序。

著色器替代了傳統(tǒng)的固定渲染管線，可以實(shí)現(xiàn)3D圖形學(xué)計算中的相關(guān)計算，由于其可編程性，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的圖像效果而不用受顯卡的固定渲染管線限制。這極大的提高了圖像的畫質(zhì)。

在上一篇文章（ http://www.cnblogs.com/MyGameAndYOU/p/4681710.html ）

關(guān)于OpenGL的第一個例子中，我們已經(jīng)接觸過頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）以及片段著色器（Fragment Shader）的相關(guān)代碼。另外，有些書籍或者文章也將片段著色器稱為像素著色器（Pixel Shader）。

話說回來，在我們了解著色器之前，讓我們先了解固定渲染管線（fixed-function pipeline）究竟是什么。

渲染管線，也稱之為渲染流水線，可以理解為工廠的流水線工作，而在這里它的工作是讓計算機(jī)把模型通過一系列的處理最終生成圖像的過程，

網(wǎng)上也有人這么描述它：渲染管線是顯示芯片內(nèi)部處理圖形信號相互獨(dú)立的的并行處理單元。頂點(diǎn)管線在GPU中的作用就是處理幾何數(shù)據(jù)，并將3D數(shù)據(jù)投射到二維的屏幕上。借用一個網(wǎng)友說的簡單例子來通俗的說明一下頂點(diǎn)管線和像素渲染管線的作用。一個畫家在做畫的時候，都需要先把所畫人或物的輪廓，框架畫出來，這里我們稱之為“構(gòu)圖”；然后再根據(jù)光照進(jìn)行著色，這里我們稱之為“渲染”。頂點(diǎn)管線和像素渲染管線所起的就是這兩個作用，頂點(diǎn)管線和引擎負(fù)責(zé)把“輪廓、框架”畫出來，而像素渲染管線和引擎則負(fù)責(zé)對畫好的“輪廓、框架”根據(jù)光照等因素進(jìn)行著色，構(gòu)成一幅完整的圖形。渲染管線直接關(guān)系到顯卡對畫面的渲染性能。

那為何稱之為固定呢？這是說芯片上一組電路已經(jīng)固定實(shí)現(xiàn)了特定的運(yùn)算功能，程序能做的只是提供場景數(shù)據(jù)以及微調(diào)運(yùn)算功能的參數(shù)。我們只能通過調(diào)用不同的API組合實(shí)現(xiàn)特定效果，但是比較死板。

那么問題又來了，流水線的處理過程分哪些步驟呢？

關(guān)于OpenGL的流水線，大家可以看這里的圖形流水線教程，非常詳細(xì)。CSDN博客地址：http://blog.csdn.net/racehorse/article/details/6593719

在這里，我借助前人的經(jīng)驗(yàn)，把相關(guān)的知識再進(jìn)一步分享給大家。

一個固定渲染管線包括如下功能：

1、頂點(diǎn)變換（Vertex Transformation）

這里的頂點(diǎn)是信息的集合，包含空間中的位置、顏色、法線、紋理坐標(biāo)等等。主要用于頂點(diǎn)位置變換、對每個頂點(diǎn)計算光照、紋理坐標(biāo)的生成以及變換。

2、圖元組合和光柵化（Primitive Assembly and Rasterization）

該階段處理的是上一個階段輸出的變換后的頂點(diǎn)以及它們的連接信息。連接信息用來描述頂點(diǎn)如何組成圖元（三角形、四邊形等等）。利用在頂點(diǎn)變換階段計算出的數(shù)據(jù)，結(jié)合連接信息計算出片段的數(shù)據(jù)。（例如，每個頂點(diǎn)包含一個變換后的位置，當(dāng)它們組成圖元時，就可以用來計算圖元的片斷位置。另一個例子是使用顏色，如果多邊形的每個頂點(diǎn)都有自己的顏色值，那么多邊形內(nèi)部片斷的顏色值就是各個頂點(diǎn)顏色插值得到的。）另外此階段還負(fù)責(zé)視錐體（view frustum）的剪裁和背面剔除。

光柵化決定了片斷（fragment），以及圖元的像素位置。這里的片斷是指一塊數(shù)據(jù)，用來更新幀緩存（frame buffer）中特定位置的一個像素。一個片斷除了包含顏色，還有法線和紋理坐標(biāo)等屬性，這些信息用來計算新的像素顏色值。本階段的輸出包括幀緩存中片段的位置，以及經(jīng)過插值后的片段信息。

3、片斷紋理化和色彩化（Fragment Texturing and Coloring）

此階段的輸入是經(jīng)過插值的片段信息。在前一階段已經(jīng)通過插值計算了紋理坐標(biāo)和一個顏色值，這個顏色在本階段可以用來和紋理元素進(jìn)行組合。此外，這一階段還可以進(jìn)行霧化處理。通常最后的輸出是片斷的顏色值以及深度信息。

4、光柵操作（Raster Operations）

此階段的輸入包括像素位置、片斷深度和顏色值。這個階段對片段進(jìn)行一系列的測試，包括：剪切測試（scissor test）、Alpha測試、模版測試、深度測試。

如果測試成功，則根據(jù)當(dāng)前的混合模式（blend mode）用片段信息來更新像素值。注意混合只能在此階段進(jìn)行，因?yàn)槠瑪嗉y理化和顏色化階段不能訪問幀緩存。幀緩存只能在此階段訪問。

一幅圖總結(jié)固定功能流水線（Visual Summary of the Fixed Functionality）

下圖直觀地總結(jié)了上述流水線的各個階段：

該圖的出處http://blog.csdn.net/racehorse/article/details/6593719

而在我們即將進(jìn)行的著色器編程中，上述的流程，有兩個階段被編程替代

1、頂點(diǎn)變換（Vertex Transformation） 這個階段使用頂點(diǎn)著色器實(shí)現(xiàn)。

2、片斷紋理化和色彩化（Fragment Texturing and Coloring） 這個階段使用片段著色器實(shí)現(xiàn)。

在OpenGL 3.0版本之前（包含3.0），或者使用了兼容模式（compatibility profile）的OpenGL環(huán)境下，我們還可以使用之前的固定渲染管線，在不使用著色器的情況下處理幾何與像素數(shù)據(jù)。

但從3.1版本開始，固定渲染管線從核心模式（core profile）去除，所以如果使用該版本之后的核心模式來編程的話，我們必須使用著色器。

GLSL在OpenGL 2.0版本左右發(fā)布的（在之前是屬于擴(kuò)展功能）。與OpenGL與時俱進(jìn)，它是一種專門為圖形開發(fā)設(shè)計的編程語言，但我們可以從其身上找到C/C++的影子。

每一個著色器代碼看起來像是一個完整的C程序，同樣有一個main入口函數(shù)。但是與C不同的是，著色器的main函數(shù)沒有任何參數(shù)，在某個著色階段中的輸入和輸出的所有數(shù)據(jù)都是通過著色器中的特殊全局變量來傳遞的。最重要一點(diǎn)是，不要把它們與應(yīng)用程序中的全局變量混淆，它們兩者沒有任何關(guān)系。

正如上面的代碼，OpenGL會使用輸入和輸出變量來傳遞著色器所需要的數(shù)據(jù)，變量的值會在OpenGL每次執(zhí)行著色器的時候更新。

還有一種是變量是直接從OpenGL應(yīng)用程序中接收數(shù)據(jù)的，稱為uniform變量。uniform表示唯一，對所有幾何圖元的值都是一致的，除非應(yīng)用程序?qū)λ鼒?zhí)行了更新，否則著色器是并不會影響它的值的變化的。

在這一小節(jié)中，我們主要了解什么是著色器，為什么會出現(xiàn)著色器，它和固定管線有什么區(qū)別。另外，還有圖形流水線知識，下一小節(jié)，我們會繼續(xù)學(xué)習(xí)GLSL的基本變量以及相關(guān)操作。

2015.08.12

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