OpenGL進階(十七) - 深入理解OpenGL

翻譯自《 OpenGL Programming Guide》(8th) 第一章，標題為  Introduction to OpenGL。

紅寶書第八版和第七版的最大的區別就是OpenGL的版本從OpenGL2.X變成了OpenGL4.X,渲染流水線也從固定流水變化為可編程流水線，shader滿天飛...

好，進入正文。

此文主要內容如下：

1.介紹OpenGL的作用，告訴你OpenGL在計算機圖形學中能做什么，不能做什么；

2.介紹OpenGL程序的常用結構；

3.介紹OpenGL渲染流水線的每個階段。

什么是OpenGL

       OpenGL是一組應用程接口(Application programming interface),即它是一個能夠操縱計算機圖形硬件的程序庫。OpenGL4.3版包含了3500多個函數接口，用于創建圖像，操作物體等，一切都是為了創建交互性三維計算機圖形程序。

       OpenGL是按照流水線型設計的，和硬件無關，這讓它能夠運行于各種各樣的圖形硬件上。同時它也是軟件無關的，可以運行于不同的操作系統，而只需操作系統只需提供一個讓OpenGL運行的GUI庫，同樣的OpenGL也還會提供描述三維模型或者讀取圖片文件的方法，你需要做的是將一系列三維圖元（比如點，線，三角形）, 來組成三維物體。

      OpenGL并不是一個新事物，1.0版本在1994年6月友硅谷圖形計算機系統開發出來，后續有很多OpenGL的其它版本，也有很多基于OpenGL開發的軟件庫用于更簡單快速地進行應用程序開發，比如游戲開發，科學或者醫學可視化系統地開發，抑或僅僅是為了顯示圖像。越是新版本的OpenGL，和原版本的OpenGL差異就越大。

     下面的一個列表簡單地描述了OpenGL渲染一張圖片需要用到的操作。

 ●  初始化用于顯示圖元的數據；

 ●  將輸入的圖元作為輸入，在其上執行各種Shaders，計算出圖元的位置，顏色和其他的渲染屬性；

 ●  將圖元的數學描述轉化為用于顯示在屏幕上的片段（fragment），這個過程稱為柵格化；

 ●  最后執行fragment shader，處理上面得到的fragments，輸出的是fragments的最終顏色和位置；

 ●  還可能會執行一個額外的fragment處理，進行混合，透明之類的操作。

        OpenGL是一個client - server系統，你寫的應用程序被當作client，運行子啊圖形硬件上的OpenGL實現作為服務端，在一些OpenGL實現中，client和server是運行在不同的機器上的，之間用網絡連接，在這種情況下，client的命令通過網絡由協議進行傳輸，服務器收到命令之后生成最終圖像。

         譯者注： OpenGL 內部是一個巨大的狀態機，你所做的大部分是對這個狀態機進行讀取和設置工作。在對物體渲染的時候， OpenGL 會根據狀態機中的當前狀態來進行渲染，好比我們寫OpenGL 程序調用 API 實際上是在寫配置文件一樣。 OpenGL 的狀態很多， 涵蓋光照，紋理，隱藏面消除，霧等等。

        OpenGL程序的第一印象

        OpenGL可以用來做很多事，那么一個也可能是非常復雜的，但是OpenGL應用程序的基本結構通常是類似的：

● 初始化狀態機中的各種狀態變量（譯者注：狀態變量型別是一些C數據類型的 typedef, 有 GLfloat, GLboolean, GLint, GLuint 等等）；

● 指定要渲染的物體。

        在看代碼之前，我們來介紹一些圖形學名詞，前面我們提到的渲染，指的是計算機從一些模型創建出一張圖像的過程，OpenGL只是渲染系統的一種，還有其他的方式，比如ray-tracing，但是用ray-tracing的系統也可能用OpenGL來顯示圖像或者用于計算。

        我們的模型或者物體，用術語來說的話，它們是由一系列圖元來確定的，包括點，線，三角形，它們都是由頂點確定的。

       另一個使用OpenGL至關重要的概念是Shader，它們是在圖形硬件中執行的程序，最好的理解方式是將shader當成為GPU(Graphics

Processing Unit)特別編譯的一些小程序.OpenGL包含了編譯shader的工具。

     在OpenGL中有四個shader處理階段可以使用，最普遍的是vertex shaders，用于處理頂點，還有fragment shaders，用于處理柵格化時候的片段，vertex和fragment shaders在每一個OpenGL程序中都會用到。

      最終生成的圖像包含了顯示在屏幕上的一系列像素。一個像素是顯示器上的最小顯示單位。像素的值存放在 frame buffer中，然后傳輸至顯示設備，frame buffer是由圖形硬件管理的一個存儲區。

      下圖顯示了一個簡單的OpenGL程序的輸出，在窗口中渲染了兩個三角形，源碼如下：

/////////////////////////////////////////////////////////////////////// // // triangles.cpp // /////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include <iostream> using namespace std; #include "vgl.h" #include "LoadShaders.h" enum VAO_IDs { Triangles, NumVAOs }; enum Buffer_IDs { ArrayBuffer, NumBuffers }; enum Attrib_IDs { vPosition = 0 }; GLuint VAOs[NumVAOs]; GLuint Buffers[NumBuffers]; const GLuint NumVertices = 6; //--------------------------------------------------------------------- // // init // void init(void) {     glGenVertexArrays(NumVAOs, VAOs);     glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);     GLfloat vertices[NumVertices][2] = {         { -0.90, -0.90 }, // Triangle 1         { 0.85, -0.90 },         { -0.90, 0.85 },         { 0.90, -0.85 }, // Triangle 2         { 0.90, 0.90 },         { -0.85, 0.90 }     };     glGenBuffers(NumBuffers, Buffers);     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]);     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices),                  vertices, GL_STATIC_DRAW);     ShaderInfo shaders[] = {         { GL_VERTEX_SHADER, "triangles.vert" },         { GL_FRAGMENT_SHADER, "triangles.frag" },         { GL_NONE, NULL }     };     GLuint program = LoadShaders(shaders);     glUseProgram(program);     glVertexAttribPointer(vPosition, 2, GL_FLOAT,                           GL_FALSE, 0, BUFFER_OFFSET(0));     glEnableVertexAttribArray(vPosition); } //--------------------------------------------------------------------- // // display // void display( void) {     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);     glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, NumVertices);     glFlush(); }  //--------------------------------------------------------------------- // // main // int main(int argc, char** argv) {     glutInit(&argc, argv);     glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA);     glutInitWindowSize(512, 512);     glutInitContextVersion(4, 3);     glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE);     glutCreateWindow(argv[0]);     if (glewInit()) {         cerr << "Unable to initialize GLEW ... exiting" << endl;         exit(EXIT_FAILURE);     }     init();     glutDisplayFunc(display);     glutMainLoop(); } 

        簡單地說一下上面的例子做了哪些事，我會在后面詳細地解釋，所以現在看不懂也不用著急。

● 在最開始，我們添加了相應的頭文件，圣米格了一些全局變量和其他的有用的結構體；

● init()是用于初始化后面程序要用到的一些數據，這些大部分是后面渲染要到的定點信息，或者是用于紋理映射要用到的圖像信息，在本例的init()中中，我們首先是指定了要渲染的兩個三角形的位置信息，之后初始化要使用的shader，這次我們只用到了vertex shader和 fragment shader。LoadShaders函數就是用于加載給GPU執行的Shader。init()最后部分做的事稱為 shader plumbing ，在這里將數據和shader中的變量進行綁定；

● display函數是程序中真正執行渲染的部分。函數中通過調用OpenGL的函數進行渲染，基本上所有的display函數會做相同的三個步驟：
1.用glClear() 函數清理窗口；

2.調用OpenGL相應的函數來渲染；

3.將渲染出的圖像用于顯示。

● 最后，mian函數中做了很多的事情 - 創建窗口，調用init，進入時間循環，這里還有一些gl開頭的函數，但和其他的函數又有一些不同，簡單地說，它們是用于在不同的操作系統中寫OpenGL的工具庫：GLUT和GLEW.

OpenGL語法（略）

OpenGL渲染流水線

      OpenGL實現了通常所說的渲染流水線。這個流水線分為一系列不同的階段，能夠將應用程序提供給OpenGL的數據轉化為一幅最終的渲染圖。下面的圖為OpenGL4.3的流水線，這個流水線從發布至今已經進化了非常多。

        OpenGL在最初將我們提供的圖形數據（頂點和圖元）傳入到一系列的shader 階段：vertex shading,tesselation shading,然后是geometry shading，這些都在柵格化之前做完。rasterizer會將在裁剪區域的所有圖元生成fragments，然后對每一個生成的fragment執行fragment shader。

        就如你所看到的，shaders在創建OpenGL應用程序中扮演了一個非常重要的角色。  你有權利去決定去使用哪個shader 階段，在每個階段中做哪些事情。并不是每一個階段都是必須；實際上，只有vertex shaders和fragment shaders才是一定要用到的。Tessellation 和 geometry shaders只是可選項。

        現在，我們對每一個階段都做一下更加深入地了解，這樣你對整體就有更好的拿捏。我知道這些東西對你來說可能有點無法理解，但現在最好是硬著頭皮看一下。你最后一定會明白理解一些理論會讓你在OpenGL的路上走得更遠。

        準備向OpenGL發送數據

        OpenGL要求將所有的數據都存儲在buffer對象中，所謂buffer對象就是OpenGL server維護的內存塊。將數據存放在buffer中有很多種方法，但是最常用的一種是用 glBufferData()函數，在初始化buffer之前，還有一些額外的工作要做。

        向OpenGL發送數據

        當我們初始化好buffers之后，我們可以用OpenGL的繪制函數來繪制幾何圖元，比如glDrawArray().

        OpenGL中的繪制通常意味著將頂點信息傳送給OpenGL server。一個頂點意味著一個信息的集合，集合中有你想要的任何信息，幾乎一定會包含頂點的位置信息，其他的值（比如法線）將會決定像素的最終值。

        Vertex Shading

        對于每一個需要渲染的頂點，vertex shader都會去處理和頂點相關的數據。根據在柵格化之前要激活哪些shader，vertex shader可能會非常簡單，可能僅僅是將數據拷貝傳遞到下一個階段 - 我們常稱為是 pass-through shader。對于一個很復雜的vertex shader ，用于計算頂點在屏幕中的位置（通常會用到矩陣變換），計算頂點光照等等。

        一個復雜的應用程序可能會有多個vertex shader，但每次只能執行一個。

       Tesselation Shading

        當vertex shader將每個相關的頂點都處理過一遍之后，如果tessellation shader 階段被激活，tessellation shader將會繼續處理這些數據，tesselation用 patchs來描述一個物體，在這個階段可以用一些相對簡單的patch圖形來細分模型來提供更好的外觀， Tesselation Shading 階段可以用兩個shader來處理，一個用于處理patch 數據，一個用于生成最終形狀。

        Geometry Shading 

         下一個shader階段是geometry Shading，在這個階段可以在柵格化之前處理單個的集合圖元，比如添加一些圖元。這個階段也是可選的，但是非常有用。

        圖元組裝

         前面的所有階段都是在針對頂點的信息操作，圖元組裝階段將頂點組裝成一組相關聯的幾何圖元，為后面的裁剪和柵格化做準備。

        裁剪

        有些點會在視口（你打算渲染的窗口）的外面，所以需要將和頂點相關的圖元進行一些處理，將不在視口中的圖元裁剪掉，這個過程叫做裁剪，是在OpenGL中自動處理的。

        柵格化

         裁剪之后馬上要做的就是柵格化，裁剪之后的圖元都傳遞到 raseriser 中生成fragment。可以將fragment當作是“候選像素”，這些像素存儲在framebuffer中。柵格化之后得到的fragment還是能夠改變顏色，處理這些fregments在下面兩個階段，fragment shading和 per fragment 操作。

Fragment Shading

         可編程的最后一個階段是fragment shading，在這里你可以控制fragments的顏色。在這個階段，shader可以決定fragments的最終顏色（雖然在下一個階段，per-fragment操作會最后一次改變顏色），fragment shaders非常地有用，在這里可以處理 texture mapping。如果一個fragment不應該被繪制，fragment shader也可以停止一個fragment的處理，這個過程稱為 fragment discard。

         一個很好的思考頂點shader和片段shader的不同點的方法是：vertex shading決定圖元在屏幕中處于什么位置，fragment shading用前面的信息來決定fragment的顏色。

          Per-Fragment Operations

          這里指的是一些額外的fragment 處理，這是對每個fragment處理的最后階段。在這里fragments的可見性由深度測試和模板測試決定。

詳解例子（略）

參考

《 OpenGL Programming Guide》(8th) 下載