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第一章：繪制管線(xiàn) OpenGL的誕生有很長(cháng)時(shí)間了，讀過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上成百上千的文檔后，很難明確哪一部分是老的內容，哪一部分在現代圖形硬件上仍然可以繼續使用。是時(shí)候對如今仍在使用的OpenGL做一次新的介紹了。 什么是OpenGL Wikipedia 對OpenGL的用途和歷史做了一個(gè)全面的回顧，但是這里我還是簡(jiǎn)要的總結一下。在現代的體系中，OpenGL是一個(gè)和可編程GPU進(jìn)行交互的跨平臺程序庫，用于繪制實(shí)時(shí)3D圖形。在游戲、CAD和數據可視化程序中被廣泛使用。OpenGL最早出現在90年代，是作為一個(gè)跨平臺SGI專(zhuān)用圖形庫的標準，SGI專(zhuān)用圖形庫用于在其高端工作站上驅動(dòng)圖形硬件。 幾年以后，GLQuake和3dfx的Voodoo圖形加速卡漸成主流，OpenGL也成為除了Microsoft專(zhuān)用Direct3d程序庫以外，用于操作普通PC機上圖形加速卡的又一個(gè)標準。近幾年來(lái)，Khronos組織管理OpenGL標準，不斷更新使之可以支持現代可編程GPU，并通過(guò)OpenGL ES和WebGL將它擴展至移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域。OpenGL 3拋棄了那些老版本中變得混亂的過(guò)時(shí)特性，讓OpenGL越發(fā)精簡(jiǎn)流暢。 最近的另一個(gè)發(fā)展是通用GPU（GPGPU）庫，包括NVIDIA的CUDA技術(shù)和Khronos的OpenCL。這些庫通過(guò)一種類(lèi)C語(yǔ)言，增加了數據并行特性，讓GPU能用于普通計算，而不必在OpenGL的圖形框架之下。然而，這些GPGPU的框架并沒(méi)有取代OpenGL；因為他們的主要目的不是圖形編程，它們只是提供了訪(fǎng)問(wèn)GPU的運算單元，而忽視專(zhuān)用的圖形硬件。雖然這樣做是可行的，但作為OpenGL的配件，支持CUDA和OpenCL既可以分享GPU與OpenGL的內存緩沖區，又可以在GPGPU程序和圖形管線(xiàn)之間傳遞數據。 GPGPU不在本次介紹之列，我的重點(diǎn)是使用OpenGL完成圖形(編程)。 對于這些教程，假設你已經(jīng)是一個(gè)程序員，知道C語(yǔ)言，但之前不一定見(jiàn)過(guò)OpenGL或進(jìn)行圖形編程。了解一些基本的代數和幾何知識將有很大的幫助。我會(huì )覆蓋OpenGL 2.0避免討論在OpenGL 3或者OpenGL ES中不推薦或者拋棄的任何API。在講完基礎知識以后，我會(huì )談?wù)凮penGL 3和4的一些新功能。除了OpenGL，我將使用兩個(gè)輔助庫：GLUT（GL實(shí)用工具包），它提供了一個(gè)跨平臺的OpenGL和窗口系統接口，GLEW（GL擴展），它簡(jiǎn)化了不同版本的OpenGL及其擴展。 從哪里獲得OpenGL， Glut 和Glew OpenGL的標準以某種形式存在于MacOS X，Windows和大多數Linux發(fā)行版中。如果你想繼續學(xué)習這些教程，你需要確保你的OpenGL實(shí)現支持至少2.0。 MacOS X系統即使圖形卡驅動(dòng)程序不提供，也能通過(guò)軟件實(shí)現OpenGL 2.0。在Windows上，取決于你的圖形卡驅動(dòng)程序提供OpenGL 2或更高版本。你可以使用RealTech免費的OpenGL擴展查看器，看看你的驅動(dòng)程序所支持的OpenGL版本。近4年來(lái)NVIDIA和AMD發(fā)行的圖形卡所提供的驅動(dòng)至少支持OpenGL 2.0。Intel板載圖形卡以及老的顯卡用戶(hù)沒(méi)有那么幸運。對于后者，Mesa提供了一個(gè)開(kāi)源、跨平臺的OpenGL 2.1軟件實(shí)現，在Windows和幾乎所有的Unix平臺上都可以運行。 Mesa是最常見(jiàn)的Linux中OpenGL實(shí)現，它和X服務(wù)使用“直接渲染接口”（DRI）通過(guò)圖形硬件與OpenGL交互。你可以通過(guò)運行一個(gè)xterm的glxinfo命令來(lái)查看您的DRI驅動(dòng)程序是否支持OpenGL 2.0。如果不支持，你可以禁用該驅動(dòng)程序，使用Mesa的軟件實(shí)現。 nVidia對于他們自己的GPU也提供專(zhuān)有的針對Linux的OpenGL實(shí)現，對于目前的NVidia圖形卡，都能支持OpenGL 2.0或以后更高版本。 要安裝GLUT和GLEW，在它們各自的網(wǎng)站上找到二進(jìn)制包。MacOS X預裝了GLUT。大多數Linux發(fā)行版都可以在其打包系統資源得到GLUT和GLEW。對于GLUT你可能還需要開(kāi)啟你的發(fā)行版中 “非自由”套件庫選項，因為它的許可并不是技術(shù)開(kāi)源。如果你對它要求很高，有一個(gè)開(kāi)源的GLUT克�。篛penGLUT可以使用。（譯者注：我沒(méi)有linux的編程經(jīng)驗，有不準確的請見(jiàn)諒） 如果你是一位經(jīng)驗豐富的C語(yǔ)言程序員，你應該能夠安裝這些庫，并讓他們在你的開(kāi)發(fā)環(huán)境中順暢工作。在我們開(kāi)始編寫(xiě)代碼之前，我要講一些籠統的概念。在這第一章，我要解釋圖形管線(xiàn)和數據流的繪制工作。在下一章，我們將編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的“Hello World”程序，將圖像文件繪制到屏幕上，顯示該管線(xiàn)是如何工作的。 圖形管線(xiàn) 
早期的實(shí)時(shí)三維，三角形是場(chǎng)景繪制的一切。雖然現代圖形處理器可以執行各種花哨的效果來(lái)掩蓋這個(gè)秘密，但在所有的效果之下，三角形仍然是GPU工作的介質(zhì)。 OpenGL的圖形管線(xiàn)反映了這一點(diǎn)：主程序填充OpenGL頂點(diǎn)數組管理的內存緩沖區，這些頂點(diǎn)投影到屏幕空間并組裝成三角形，通過(guò)光柵化生成像素大小的片元，然后片元被分配顏色值并繪制到幀緩沖區�，F代圖形處理器可以使用著(zhù)色器來(lái)實(shí)現“投影到屏幕空間”和“分配顏色值”獲取靈活性。讓我們來(lái)看看每個(gè)階段的細節： 頂點(diǎn)和圖元數組 渲染工作通過(guò)管線(xiàn)中一個(gè)或者多個(gè)填充著(zhù)頂點(diǎn)屬性值的頂點(diǎn)緩沖區開(kāi)始，這些屬性用于頂點(diǎn)著(zhù)色器的輸入。常見(jiàn)的頂點(diǎn)屬性包括在三維空間的頂點(diǎn)位置，一個(gè)或多個(gè)紋理坐標集合，紋理坐標用于將頂點(diǎn)映射到一個(gè)或者多個(gè)紋理的采樣點(diǎn)。這一系列提供數據給繪制工作的頂點(diǎn)緩沖區即稱(chēng)之為頂點(diǎn)數組。當繪制任務(wù)提交時(shí)，我們提供一個(gè)額外的圖元數組到頂點(diǎn)數組中，即一個(gè)索引數組，用來(lái)選擇哪些頂點(diǎn)進(jìn)入繪制管線(xiàn)。索引值的順序還可以控制以后頂點(diǎn)如何裝配成三角形。 統一狀態(tài)和紋理 繪制任務(wù)也有統一的渲染工作狀態(tài)，它在管線(xiàn)的每一個(gè)可編程階段都提供了一系列共享的只讀值。這使得著(zhù)色器程序在頂點(diǎn)和片元之間能保持參數不改變。統一的狀態(tài)包括紋理，可以是能被著(zhù)色器采樣的一維，二維，或三維數組。顧名思義，紋理通常用來(lái)將圖片映射到表面上，它們也可以用來(lái)作為預先計算函數的查找表，或作為各種效果的數據集。 頂點(diǎn)著(zhù)色器 GPU從頂點(diǎn)數組中讀取每一個(gè)選擇的頂點(diǎn)，通過(guò)頂點(diǎn)著(zhù)色器來(lái)執行它，頂點(diǎn)著(zhù)色器是將一系列頂點(diǎn)屬性作為輸入并輸出一系列新屬性的程序，這些屬性稱(chēng)之為變量，用于提交給光柵化處理。在頂點(diǎn)著(zhù)色器中至少要計算屏幕空間頂點(diǎn)的投影位置。頂點(diǎn)著(zhù)色器也可以產(chǎn)生其他的輸出變量，比如顏色、紋理坐標，用于光柵化為混合連接頂點(diǎn)的三角形表面。 三角形裝配 GPU連接投影后頂點(diǎn)來(lái)組建三角形。它通過(guò)圖元數組所指示的順序講頂點(diǎn)組織成“三個(gè)頂點(diǎn)”的結合。頂點(diǎn)可以被組織為幾種不同的方式： 以每三個(gè)元素作為一個(gè)獨立的三角形。 設為一個(gè)三角形條帶，重用三角形的最后兩個(gè)頂點(diǎn)，作為下一個(gè)三角形的前兩個(gè)頂點(diǎn)。 設為三角形扇面，連接的第一個(gè)元素到后面的每一對元素。
該圖顯示了三種不同模式的行為。條帶和扇面在第一個(gè)三角形之后的每一個(gè)三角形都只需要一個(gè)新的索引就能構建，平衡了圖元數組中獨立三角形的靈活性和額外的存儲效率。 光柵化 光柵化處理每一個(gè)三角形，裁切或者丟棄屏幕之外三角形，將可見(jiàn)的三角形分割成像素大小的片元。如上所述，頂點(diǎn)著(zhù)色器的輸出也被插值，并光柵化到每一個(gè)三角形的表面，同時(shí)將每一個(gè)片元之間光滑過(guò)度。例如，如果頂點(diǎn)著(zhù)色器分配每個(gè)頂點(diǎn)一個(gè)顏色值，光柵化將融合像素化表面的顏色，如圖所示。
片元著(zhù)色器 生成的片元提交給另一個(gè)稱(chēng)為片元著(zhù)色器的程序。片元著(zhù)色器接收到頂點(diǎn)著(zhù)色器輸出的變量，通過(guò)光柵化作為輸入進(jìn)行插值。它輸出顏色和深度值，然后進(jìn)入幀緩存進(jìn)行繪制。普通片元著(zhù)色器操作包括紋理映射和光照處理。由于片元著(zhù)色器對每一個(gè)像素的繪制獨立運行，它可以執行最復雜的特殊效果，同時(shí)它也是圖形管線(xiàn)中對性能最敏感的部分。 幀緩存，測試和混合 幀緩存的是渲染工作輸出的最終目的地。除了OpenGL給你的用于繪制到屏幕上的默認幀緩存以外，現代的OpenGL實(shí)現可以讓你繪制到離屏的幀緩存對象或者紋理上。這些紋理可以被用來(lái)作為其他渲染工作的輸入。幀緩存不僅僅是一個(gè)單一的二維圖像，除了一個(gè)或多個(gè)顏色緩沖區，幀緩存可以擁有一個(gè)深度緩沖區或者模板緩沖區，這兩種緩沖區在片元繪制到幀緩沖區之前對其進(jìn)行過(guò)濾。深度測試將放置在已繪制片元之后的片元丟棄，模板測試使用形狀將緩沖區對象的可繪制部分繪制到模板緩沖區中。片元將它們的顏色值和“覆蓋”的顏色值進(jìn)行混合，最終的顏色、深度和模板值繪制到相應的緩沖區中。 結論 這就是你在OpenGL中調用“繪制”方法時(shí)，數據從頂點(diǎn)緩存到幀緩存的過(guò)程。渲染一個(gè)場(chǎng)景通常涉及多個(gè)繪制工作，變換紋理、其他的統一狀態(tài)或者階段之間的著(zhù)色器，以及使用幀緩存的深度和模板緩沖區來(lái)結合每個(gè)階段的繪制結果�，F在我們已經(jīng)覆蓋了三維渲染一般的數據流過(guò)程，我們可以寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，看看OpenGL中這一切是如何發(fā)生的。在整個(gè)教程的過(guò)程中，我很想知道您的反饋意見(jiàn)，如果有幫助請告知我，或者這些對你沒(méi)有任何意義。 |
