OpenGL ES 基础概念介绍

来源：互联网发布：手机室内建模软件编辑：程序博客网时间：2024/06/05 05:45

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 是 OpenGL三维图形 API 的子集，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计。

首先，光栅化（Rasterize/rasteriztion）。

这个词儿Adobe官方翻译成栅格化或者像素化。没错，就是把矢量图形转化成像素点儿的过程。我们屏幕上显示的画面都是由像素组成，而三维物体都是点线面构成的。要让点线面，变成能在屏幕上显示的像素，就需要Rasterize这个过程。就是从矢量的点线面的描述，变成像素的描述。
如下图，这是一个放大了1200%的屏幕，前面是告诉计算机我有一个圆形，后面就是计算机把圆形转换成可以显示的像素点。这个过程就是Rasterize。

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渲染管线（Pipeline）
这个翻译尤其不接地气，兼职就是直译（pipe管子line线路）。Pipeline是输送管道的意思。其实是指三维渲染的过程中显卡执行的、从几何体到最终渲染图像的、数据传输处理计算的过程。
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着色器（Shader）
这个翻译的挺好。画画的时候我们经常有这么一个过程：先打线稿，再上色。着色器就是用来做这个工作的。
通常着色器分两种：
1顶点着色器（vertex shader）这个是告诉电脑如何打线稿的——如何处理顶点、法线等的数据的小程序。
2片面着色器（fragment shader）这个是告诉电脑如何上色的——如何处理光、阴影、遮挡、环境等等对物体表面的影响，最终生成一副图像的小程序。
采用了这两种着色器小程序 的 数据传输处理计算的渲染过程，称之为 可编程管线。

Opengl es 2.0实现了可编程的图形管线，比起1.x的固定管线要复杂和灵活很多，由两部分规范组成：Opengl es 2.0 API规范和Opengl es着色语言规范。下图是Opengl es 2.0渲染管线，阴影部分是opengl es 2.0的可编程阶段。

1. 顶点着色器(VertexShader)

顶点着色器对顶点实现了一种通用的可编程方法。

顶点着色器的输入数据由下面组成：

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。

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值的机制叫做插值。

顶点着色器数据的输入和输出可以参考下图：

顶点着色器可用于传统的基于顶点的操作，例如：基于矩阵变换位置，进行光照计算来生成每个顶点的颜色，生成或者变换纹理坐标。

另外因为顶点着色器是由应用程序指定的，所以你可以用来进行任意自定义的顶点变换。

下面是一个用opengl es着色器语言编写的顶点着色器源码，这个顶点着色器使用一个position和跟它相关联的color数据作为输入数据，通过一个4×4矩阵变换位置，然后输出变换后的位置和颜色数据。

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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行代码定义了一个uniform变量u_mvpMatrix，mat4表示4×4浮点数矩阵，该变量存储了组合模型视图和投影矩阵。6和7行代码定义了顶点着色器的输入数据：Attributes，vec4表示包含了4个浮点数的向量，a_position是顶点位置属性，a_color是顶点颜色属性。第10行代码定义了varying类型的变量v_color，varying是用于从顶点着色器传递到片元着色器的变量，v_color是顶点着色器的输出数据，存储了每个顶点的颜色。12-17行的main函数是顶点着色器和片元着色器的入口，第15行读取了顶点着色器输入属性中a_color的值，并把它赋值给输出数据v_color，第16行的gl_Position 是内置的varying变量，不需要声明，顶点着色器必须把变换后的位置赋值给它。

2.图元装配(Primitive Assembly)
顶点着色器之后，渲染流水线的下一个阶段是图元装配，图元是一个能用opengl es绘图命令绘制的几何体，绘图命令指定了一组顶点属性，描述了图元的几何形状和图元类型。顶点着色器使用这些顶点属性计算顶点的位置、颜色以及纹理坐标，这样才能传到片元着色器。在图元装配阶段，这些着色器处理过的顶点被组装到一个个独立的几何图元中，例如三角形、线、点精灵。对于每个图元，必须确定它是否位于视椎体内(3维空间显示在屏幕上的可见区域)，如果图元部分在视椎体中，需要进行裁剪，如果图元全部在视椎体外，则直接丢弃图元。裁剪之后，顶点位置转换成了屏幕坐标。背面剔除操作也会执行，它根据图元是正面还是背面，如果是背面则丢弃该图元。经过裁剪和背面剔除操作后，就进入渲染流水线的下一个阶段：光栅化。

3. 光栅化(Rasterization)
光栅化阶段把图元转换成片元集合，之后会提交给片元着色器处理，这些片元集合表示可以被绘制到屏幕的像素。如下图所示：

4. 片元着色器(FragmentShader)

片元着色器对片元实现了一种通用的可编程方法，它对光栅化阶段产生的每个片元进行操作，需要的输入数据如下：

Varying variables：顶点着色器输出的varying变量经过光栅化插值计算后产生的作用于每个片元的值。

Uniforms：片元着色器使用的常量数据

Samplers：一种特殊的uniforms，表示片元着色器使用的纹理。

Shader program：片元着色器的源码或可执行文件，描述了将对片元执行的操作。

片元着色器也可以丢弃片元或者为片元生成一个颜色值，保存到内置变量gl_FragColor。光栅化阶段产生的颜色、深度、模板和屏幕坐标(Xw, Yw)成为流水线中pre-fragment阶段(FragmentShader之后)的输入。如下图：

下面是一个简单的片元着色器源码，可以跟上面的顶点着色器源码结合绘制一个高洛德着色的三角形。

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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行代码设置默认的精度修饰符，有highp、mediump、lowp，这个后面再详细解释。第3行代码定义了片元着色器的输入数据，顶点着色器必须赋值给片元着色器一组一样的varying变量。注意：gl_FragColor是片元着色器唯一的输出，第9行代码把输入数据v_color赋值给gl_FragColor。

5. 逐个片元操作阶段(Per-Fragment Operations)
片元着色器之后就是逐个片元操作阶段，包括一系列的测试阶段。一个光栅化阶段产生的具有屏幕坐标(Xw, Yw)的片元，只能修改framebuffer(帧缓冲)中位置在(Xw, Yw)的像素。下图是Opengl es 2.0逐片元操作的过程：

Pixel ownership test：像素所有权测试决定framebuffer中某一个(Xw, Yw)位置的像素是否属于当前Opengl ES的context，比如：如果一个Opengl ES帧缓冲窗口被其他窗口遮住了，窗口系统将决定被遮住的像素不属于当前Opengl ES的context，因此也就不会被显示。
Scissor test：裁剪测试决定位置为(Xw, Yw)的片元是否位于裁剪矩形内，如果不在，则被丢弃。
Stencil and depth tests：模板和深度测试传入片元的模板和深度值，决定是否丢弃片元。
Blending：将新产生的片元颜色值和framebuffer中某个(Xw, Yw)位置存储的颜色值进行混合。
Dithering：抖动可以用来最大限度的减少使用有限精度存储颜色值到framebuffer的工件。
逐片元操作之后，片元要么被丢弃，要么一个片元的颜色，深度或者模板值被写入到framebuffer的(Xw, Yw)位置，不过是否真的会写入还得依赖于write masks启用与否。write masks能更好的控制颜色、深度和模板值写入到合适的缓冲区。例如：颜色缓冲区中的write mask可以被设置成没有红色值写入到颜色缓冲区。另外，Opengl ES 2.0提供从framebuffer中获取像素的接口，不过需要记住的是像素只能从颜色缓冲区读回，深度和模板值不能读回。

注意：Opengl ES 2.0 的Per-Fragment Operations已经不再支持Alpha test 和 LogicOp了，这两个步骤在 OpenGL 2.0 和 OpenGL ES 1.x中是存在的。Alpha test 阶段不再需要的原因是片元着色器可以丢弃片元，所以可以在片元着色器中执行Alpha test。 LogicOp因为很少使用，所以不再支持了。

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