OpenGL渲染流程

OpenGL，Open Graphics Library

渲染管线

在OpenGL中，任何事物都处于3D空间中，而屏幕和窗口却都是2D像素数组，这就导致了OpenGL大部分工作都是关于把3D坐标转变为适配你屏幕的2D像素。

渲染管线，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。图形渲染管线（3D坐标→2D坐标）主要可划分为：把3D坐标转换为2D坐标和把2D坐标转变为实际的有颜色的像素两个部分。

3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线管理的。

渲染管线处理流程

Vertex Data → Vertex Shader → Shape Assembly → Geometry Shader → Rasterization → Fragment Shader → Blending

灰色为绑定流程，不需要自定义编写代码。

一般而言，通过对shader的编写（Vertex Shader，.vs；Geometry Shader，.gs；Fragment Shader，.fs）来完成相应的效果呈现。

首先，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。

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，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。

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图元来生成其他形状。

几何着色器的输出会进行光栅化（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）。裁切会丢弃超出视图以外的所有像素，用来提升执行效率。

Fragment Shader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，Fragment Shader包含3D场景的数据（如光照、阴影、光的颜色等），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Aplha值（RGBA中的A）并对物体进行Blending。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。

OpenGL编写需要

OpenGL 首先接收用户提供的几何数据（顶点和几何图元），并且将它输入到一系列Shader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Rasterization。Rasterization负责对所有剪切（Clipping）内的图元生成Fragment，然后对每个生成的片元都执行一个Fragment Shader。

Shader是OpenGL中最重要的组成，可以控制使用不同的Shader来实现所需的功能
只有Vertex Shader和Fragment Shader是必须的，细分和Geometry Shader是可选的步骤

数据与数据流

VAO，Vertex Array Object，定点数组对象，保存缓存以及顶点属性状态信息
VBO，Vertex Buffer Object，定点缓存对象，用于分配内存，保存顶点数据给图形卡使用的一种缓存对象
EBO/IBO，Element Buffer Object/Index Buffer Object，保存顶点索引的一种缓存对象

在定义好顶点数据以后，需要在内存中存储这些顶点，VBO管理这个内存，它会在显存中储存大量顶点。使用这些缓冲对象的好处是可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能都要尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点。

Vertex Shader

顶点着色器对顶点实现了一种通用的可编程方法，它一般用来处理图形每个顶点变换（旋转/平移/投影等），顶点着色器是OpenGL中用于计算顶点属性的程序
每个顶点都会执行依次顶点着色器，执行顺序是按照存储在顶点数组的顺序依次处理（一般是逆时针）
输入数据组成
- Attributes，使用顶点数组封装每个顶点的数据，一般用于每个顶点都各不相同的变量，如顶点位置、颜色等
- Uniforms，顶点着色器使用的常量数据，不能被着色器修改，一般用于对同一组顶点组成的单个3D物体中所有顶点都相同的变量，如当前光源的位置
- Samplers，这个是可选的，一种特殊的Uniforms，表示顶点着色器使用的纹理
- Shader Program，顶点着色器的源码或可执行文件，描述了将对顶点执行的操作。
输出数据组成
- 顶点着色器的输出数据是Varying变量，在图元光栅化阶段，这些Varying值为每个生成的片元进行计算，并将结果作为片元着色器的输入数据。从分配给每个顶点的原始Varying值来为每个片元生成一个Varying值的机制为插值

Rasterization

光栅化（Rasterization）是把顶点数据转换为片元的过程，具有将图转化为一个个栅格组成的图象的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区中的一像素
光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。1. 决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用；2. 分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。光栅化过程产生的是片元
把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换为屏幕上用于对应位置的像素及用于填充像素的颜色，这个过程称为光栅化，这是一个将模拟信号转化为离散信号的过程

简而言之，光栅化阶段绘制对应的图元（点、线、三角形），将图元转化为一组二维数组的过程，然后传递给Fragment Shader处理，数组中每一个数就是pixel

Fragment Shader

Fragment Shader主要是对光栅化处理后生成的片元逐个进行并行处理。接收Vertex Shader输出的值，需要传入的数据，以及它经过变换矩阵后输出值存储位置。

输入数据组成
- Shader Program，描述片元所执行的片元着色器程序源代码输入变量
- Rasterization对Vertex Shader插值后的输出值
- Uniform，Fragment Shader使用的不变的数据
- Sampler，代表Fragment Shader所用纹理的一种特殊的统一变量类型
输出数据组成
- Fragment Color