通過(guò)OpenGL理解前端渲染原理（1）-創(chuàng)新互聯(lián)

一、OpenGL

OpenGL，是一套繪制3D圖形的API，當(dāng)然它也可以用來(lái)繪制2D的物體。OpenGL有一大套可以用來(lái)操作模型和圖片的函數(shù)，通常編寫(xiě)OpenGL庫(kù)的人是顯卡的制造者。我們買(mǎi)的顯卡都支持特定版本的OpenGL。

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下圖是用OpenGL做的旋轉(zhuǎn)的立方體。

二、渲染原理

2.1 渲染管道

在OpenGL中，所有東西都在一個(gè)3D的空間里，而我們的屏幕和窗口都是2D的，所以O(shè)penGL需要將3D的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2D的坐標(biāo)，做這件事的是OpenGL中的渲染管道（graphics pipeline）。

渲染管道可以分成兩大部分：第一部分將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2D坐標(biāo)；第二部分把2D的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的像素。

2.2 著色器

通常來(lái)說(shuō)，渲染管道把一組3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成屏幕上帶有顏色的2D像素需要經(jīng)過(guò)很多步。上一步的輸出作為下一步的輸入，所有步驟都是高度專(zhuān)一的，每步都有一個(gè)特定的函數(shù)，且可以很容易地并發(fā)執(zhí)行。顯卡有數(shù)千個(gè)處理核心來(lái)快速處理渲染管道中的數(shù)據(jù)，而這些是在每個(gè)步驟中通過(guò)運(yùn)行在GPU上的多個(gè)小程序來(lái)處理的，這些小的程序被稱(chēng)之為程序著色器（shader）。

其中的一些著色器是可以配置的，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)需求配置自己的著色器去替代已經(jīng)存在的那些，這就讓我們能夠更自由和細(xì)粒度地控制渲染的過(guò)程。同時(shí)，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)行在GPU上，又給我們保留了珍貴的GPU時(shí)間，在平時(shí)的開(kāi)發(fā)中，我們也要充分利用GPU渲染來(lái)提高軟件性能。

著色器通常使用GLSL來(lái)寫(xiě)，全稱(chēng)是OpenGL Shading Language。

2.3 舉個(gè)例子

下圖展示了一個(gè)抽象的渲染管線中的步驟，其中藍(lán)色部分是我們可以注入自己的著色器。

通過(guò)上圖我們發(fā)現(xiàn)，要把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成全渲染的像素要經(jīng)過(guò)很多步，接下來(lái)我們對(duì)每一個(gè)步驟和代碼進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋。

我們?cè)阡秩竟芫€中傳入一組可以組成三角形的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)即頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)是頂點(diǎn)的集合，而一個(gè)頂點(diǎn)是一個(gè)3D坐標(biāo)的集合。

渲染管線的第一步是頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）。我們這里傳入的是一個(gè)簡(jiǎn)單的頂點(diǎn)，頂點(diǎn)著色器可以讓我們做一些基礎(chǔ)的處理操作，比如頂點(diǎn)的屬性。

在初始裝配階段，也就是Shape Assembly階段，從頂點(diǎn)著色器中輸出的頂點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)原始的形狀。本例中，輸出的頂點(diǎn)形成的是一個(gè)三角形。

從初始裝配階段到geometry shader階段，我們可以通過(guò)發(fā)散其他頂點(diǎn)來(lái)形成新的圖形，本例中形成了第二個(gè)三角形。

在Tessellation Shader階段，可以把上一階段給出的原型圖再分割成若干個(gè)小的原型圖。本例中，可以形成更多的三角形來(lái)創(chuàng)造一個(gè)更加平坦、順滑的環(huán)境。這么說(shuō)可能難以理解，我們結(jié)合下圖來(lái)進(jìn)一步闡述，這就是細(xì)分曲面著色器的作用。

細(xì)分曲面著色器的下一階段是光柵化階段（Rasterzation stage），在這一階段會(huì)對(duì)最終的原型和呈現(xiàn)在屏幕上的對(duì)應(yīng)像素做一個(gè)映射，形成fragment，供下一階段的fragment shader使用。

Fragment shader最主要的使命是計(jì)算出一個(gè)像素的最終顏色，在這個(gè)階段我們可以使用OpenGL中一些高級(jí)的特效。通常fragment shader會(huì)包含3D界面的多個(gè)數(shù)據(jù)，包括燈光、陰影、顏色等等。

當(dāng)所有對(duì)應(yīng)的顏色都確定以后，最終的原型將會(huì)被傳入最后一個(gè)步驟，我們稱(chēng)之為Alpha test and blending階段。這個(gè)階段會(huì)判斷相應(yīng)的深度，比如一個(gè)物體可能在另一個(gè)物體的后面，那它可能采用其他的顏色；或者如果該物體被遮擋，可能會(huì)被裁掉。

如上文所述，我們可以看到整個(gè)渲染管線的步驟和邏輯是十分復(fù)雜的，這其中包含了很多個(gè)可以改變的步驟，但我們一般只操作Vertex Shader 和 fragment shader，其他的著色器我們會(huì)直接采用默認(rèn)的。在實(shí)際的OpenGL編程中，我們至少需要定義一個(gè)Vertex Shader和Fragment shader。（需要說(shuō)明的是，OpenGL 3.1之前的版本包含了固定管線，從3.1版本開(kāi)始，固定管線從核心中刪掉了，因此我們必須使用著色器去工作）。

三、總結(jié)

本文為該系列文章的第一篇，先簡(jiǎn)單介紹OpenGL的一些原理，后續(xù)文章中會(huì)添加新的代碼分析，包括著色器（Shader）、紋理（Textture）、變形（transformation）、坐標(biāo)系統(tǒng)（Coordinate systems）、相機(jī)（Camera）等。

作者：崔曉迪

來(lái)源：宜信技術(shù)學(xué)院

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