OpenGL流水线概览

渲染流水线概览

原文：https://www.khronos.org/opengl/wiki/Rendering_Pipeline_Overview

渲染流水线（Rendering Pipeline）是OpenGL渲染物件时候的一系列步骤。这个概览将会对这个流水线的步骤，做一个俯瞰描述。

Contents

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• 1Pipeline
• 2Vertex Specification
  • 2.1Vertex Rendering
• 3Vertex Processing
  • 3.1Vertex shader
  • 3.2Tessellation
  • 3.3Geometry Shader
• 4Vertex post-processing
  • 4.1Transform Feedback
  • 4.2Clipping
• 5Primitive assembly
  • 5.1Face culling
• 6Rasterization
• 7Fragment Processing
• 8Per-Sample Operations

流水线（Pipeline）

渲染流水线图标，蓝色部分是可编程的步骤.

 OpenGL 渲染流水线按照下面的步骤工作：

1. 准备顶点数据（ vertex array data）而后渲染他
2. 顶点处理
   1. 每个顶点在顶点Shader里被处理，然后变成一个输出顶点。
   2. （可选）原图形填充（tessellation ）步骤。
   3. （可选）几何 Shader 原图形处理，输出将是一序列的原图形。
3. 顶点后期处理，最后一步的输出，将会被调整并运送到不同的地方。
   1. Transform 反馈在这里发生。
   2. 原图形裁剪，透视分割，视图变换到窗口空间。
4. 原图形装配。
5. 扫描转换和原图形参数插值，这将产生很多的片段。
6. 一个片段Shader处理每个片段，每个片段生成多个输出。
7. 基于每个采样的处理（Per-Sample_Processing）
   1. 裁剪测试
   2. 模板测试
   3. 深度测试
   4. 混合
   5. 逻辑处理
   6. 空白遮罩（Write Mask，暂时不懂，看明白之后改成更合适的翻译）

顶点规范化

Main article: Vertex Specification

顶点规范化过程，是应用程序设置一个有序的顶点列表，并送往流水线的过程，这些顶点定义了原图形的边界。

原图形是基础绘制形状，比如三角形，线和点。明确的告诉你，在后面的步骤中，顶点数据作为原图形，应该如何被解读（译注：如哪几位是顶点，哪几位是颜色，哪几位是法线，哪几位是纹理坐标）

这部分的流水线，处理一些对象，如VAO（Vertex Array Object 顶点数组对象）和VBP（Vertex Buffer Ojbect 顶点缓冲对象），VAO定义了，顶点都有哪些数据，而VBO则存放实际的数据。

一个顶点数据，由一组属性组成，每个属性是一个下个步骤将要依赖之计算的小数据集。 而一组属性，确定了一个顶点，这并不是说，一个顶点的属性，一定是位置或者法线什么的，顶点数据可以是任意的东西（译注：比如我读硕士时尝试用顶点数据做并行计算，虽然最后选择了新兴的CUDA技术）在顶点处理阶段，会给每个顶点的每个分量分配唯一的含义。

顶点渲染

Main article: Vertex Rendering

一旦顶点数据被适当的指定，他将通过绘图指令，作为原图形进行渲染。

顶点处理

在上一个阶段获得的顶点，将在这个阶段进行他们的处理。顶点处理阶段，几乎都是可编程处理操作。这将允许用户编码去自定义顶点如何被处理。每个阶段对应一个不同的Shader操作。有些步骤是可选的。

顶点shader

Main article: Vertex Shader

顶点Shader针对每个独立的顶点进行基础处理，顶点Shader，顶点Shader从顶点渲染接受输入属性，并基于用户定义的程序，将每个输入的顶点，转换为一一对应输出顶点。

顶点Shader可以使用用户自定义的输出，但是也有一个特殊的输出，代表顶点的最终位置（译注：这句应该指的是gl_Position），如果没有随后的顶点处理步骤，顶点Shader预期将会将这位置信息，填充为裁剪空间的顶点位置。以备后用。

一个限制是，在顶点处理过程中，因为各个顶点shader之间的调用，不可共享状态，任何一个输入属性必须被映射到唯一一个顶点输出中。如果你填充了完全相同的属性，到相同的顶点Shader中的相同原图形中，那么你将会获得相同的输出顶点数据。这给予驱动的实现，去优化顶点处理过程，如果他们可以检测到，他们将要去处理一个已经被处理过的顶点，他们可以使用之前存放在post-transform缓存中的数据，而不需要去再次运行顶点处理程序重复处理那条数据。（暂时没理解透彻，先放放，以后回来填坑）

顶点Shader不是可选的，是必须的。

Tessellation

元图形，可以使用两个Shader步骤去填充，期间还可以夹杂一个固定函数Tessllator。填充控制Shader先执行（ Tessellation Control Shader (TCS) ）然后他决定，多少填充被应用于一个原图形，与此同时保证邻接填充原图形之前的连接性。填充评估Shader（ Tessellation Evaluation Shader (TES)）最后执行，并且 他将应用插值或其他操作，用于计算用户自定义数据的值，到fixed-function tessellation 过程产生的元图形上。

填充过程是可选的，如果TES打开，则认为填充是激活的。TCS也是可选的，TSC不可以独立存在必须和TES一起使用。

几何 Shader

Main article: Geometry Shader

几何shader是用户自定义的程序，处理每个输入原图形，并产生0-n个输出原图形。几何Shader的输入原图形，是一些原图形装配过程中产生的输出原图形的子集。所以如果你发送一个三角形Strip，几何Shader会把他们视为一系列的三角形。

尽管如此，有很多输入原图形的类别，专为几何Shader定制。这些邻接原图形，给予GS更大的视野，他们提供了访问邻接当前原图形的原图形的顶点的权限。

GS的输出可能是0或多个简单原图形，更像是原图形装配集的输出。GS能够删除原图形，或者通过从一个输出衍生出更多的输出原图形来填充他们。GS也可以修补顶点数据，或者为顶点Shader做些事情，或者在填充时做些插值，几何Shader甚至可以将原图形转换为其他类别，输入一个点，可以变成一条线，一个三角形，甚至很多点。

几何Shader也是可选的。

顶点后期处理

Main article: Vertex Post-Processing

经过基于Shader的（可编程的）顶点处理之后，顶点会执行一系列的固定管线函数处理。

Transform 反馈

Main article: Transform Feedback

几何Shader或元数据装配的输出，将会被为了这个目的（Transform Feedback），写入到一系列的缓冲对象中去。这个过程也被称形变反馈模式。它允许用户通过几何Shader变换顶点，并且保存他们以备用户后用。数据输出到Transform feedback缓冲，是由每个原图形，在这个步骤反射的数据。

裁切

Main article: Clipping

原图形随后被裁切，裁切意味着，在边界上的原图形，将会被分离成几部分原图形，这样所有的全图型，都将保证在视空间之内。同时，最后的顶点处理Shader也可以执行用户自定义操作，在每个顶点之上。

顶点位置在透视分割和视图转换时，被转换到裁切空间。

原图形装配

Main article: Primitive Assembly

原图形装配，从前面的步骤中收集顶点数据，并组装成一序列原图形。用户渲染的原图形类别决定这个步骤如何工作。这个步骤的输出是一序列有序的原图形（线，点，三角形）如果输入是一个三角形Strip包含12个顶点，那么输出将是10个三角形。（译注：用三角形链，将三角形传入GPU，会节省传输数据量，但是，GPU似乎并不认这个，所以需要Primitive Assembly）

如果Tessellation或者几何Shader是激活的，那么一个受限制的形式的元数据装备，会在顶点处理步骤之前执行。这将保证这些Shader被填充的是独立的原图形，而不是一序列的顶点。

渲染流水线也可以在这个步骤中被中止，这可以使得Tranform Feedback得以运作（译注：有些时候你不是为了渲染，而是为了计算。）而不需要实质的渲染些什么。

面剔除

Main article: Face Culling

三角形元数据可以被剔除，这基于三角形面在窗口空间的朝向。他允许你不渲染背对观察者的三角形。这些三角形会被离观察者近的面挡住，所以你永远没有必要去渲染他们。面剔除就是一个避免渲染这些玩意的过程。.

光栅化

Main article: Rasterization

如果原图形能活到这一步（而没被用户终止或者崩溃掉：-），他们将会被按照他们（来送人头儿：-）的顺序光栅化。光栅化的结果是一序列的片段数据。

一个片段是在输出的帧缓冲中的一组状态，它用来计算一个像素的最终数据（或者是一个样本，如果多重采样被激活的话）。一个片段的状态，通常包括，屏幕空间的位置，采样覆盖（如果多重采样被激活），以及一系列从上一个顶点或者几何Shader发过来的任意数据。 这个过程可以选择性的进行多重采样。

片段处理过程

Main article: Fragment Shader

光栅化过程中产生的片段数据，将由片段Shader进行处理。片段Shader的输出是为每个颜色Buffer写入的颜色列表，一个深度值和一个模板值。片段程序无法为片段设置模板值，但是可以控制颜色和深度值。

片段Shader也是可选的。如果你不使用片段Shader，深度（和模板）值，将是他们的通常值。但是所有片段的颜色值是未定义的。不使用片段Shader进行渲染，在我们只想将一个原图形的深度信息写入到深度缓冲的时候，会显得非常有用，比如在做 遮挡查询（Occlusion Query ）测试的时候。

每采样操作

Main article: Per-Sample_Processing

片段处理器输出的片段数据，接下来将会通过以下步骤的处理。

第一个步骤是一系列的剔除测试。如果测试是激活的，并且片段没有通过测试。对应的像素或采样将不会被更新（同常不会）（也就是说，片段被抛弃了：-）。很多这类测试，只有用户手动激活才会生效。这些测试为：

• 像素所有权测试：如果像素的所有权，不是由OpenGL拥有，则测试失败（比如其他窗体，覆盖了GL窗口，那么没必要渲染他了。）但是如果你使用一个帧缓冲对象，则测试必然通过。失败意味着那个像素将持有未定义的值。
• 剪刀测试（Scissor Test）如果被激活，当片段的像素位于指定的屏幕的矩形区域之外的时候，测试将会失败
• 模板测试（Stencil Test）如果被激活，如果测试提供的模板值，与用户指定的模板缓冲中的值无法匹配，那么测试将会失败。 注意：即时测试失败，帧缓冲中的模板值仍旧有可能会被改变（就算深度测试失败，也是一样）。
• 深度测试（Depth Test） 如果被激活，当片段的深度值，与用户指定的深度缓冲中的深度值，不匹配，那么测试将会失败。 

注意: 尽管规定这些事情发生在片段Shader之后，在某些特定情况下，也可以强制他们发生在片段Shader之前。如果他们发生在FS之前，那么被裁减掉的像素也会防止片段Shader执行，这可以节省效率。

在这之后，颜色混合（ color blending ）发生了,对于每一个片段颜色值，在已经在FrameBuffer中的颜色值，和当前颜色值之间，有一个特殊的混合操作 。逻辑操作（ Logical Operations ）也会发生在混合的地方，他可以在片段颜色和颜色缓冲中的颜色之间实施一个按位操作。

最后，片段数据被写入到缓冲之中。遮罩操作（ Masking operations）允许用户组织指定的片段颜色的写入。颜色，深度，模板遮罩可以开启或关闭，独立颜色的通道，也可以被单独遮罩。