我的OpenGL学习进阶之旅介绍一下OpenGL ES的图元装配：坐标系统透视分割视口变化

Posted 2022-01-02 字节卷动

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• 一、图元装配
• • 1.1 坐标系统
  • • 1.1.1 裁剪
  • 1.2 透视分割
  • 1.3 视口变换

在上一篇文章【我的OpenGL学习进阶之旅】介绍一下 绘制图元中，我们介绍了如何绘制图元，这篇我们来介绍一下图元装配。

一、图元装配

下图展示了图元装配阶段。通过glDraw***提供的顶点由顶点着色器执行，顶点着色器变化的每个顶点包括描述顶点（x,y,z,w）值的顶点位置。

图元类型和顶点索引确定将被渲染的单独图元。

对于每个单独图元（三角形、直线和点精灵）及其对应的顶点，图元装配阶段执行如下图所示的操作。

在讨论OpenGL ES 中如何光栅化图元之前，我们需要理解OpenGL ES 3.0 中使用的各种坐标系统。这对于更好地理解 OpenGL ES 3.0管线不同阶段中顶点坐标发生的变化是必需的。

1.1 坐标系统

下图展示了顶点通过顶点着色器和图元装配阶段时的坐标系统。

顶点以物体或者本地坐标空间输入到OpenGL ES ，这是最困难用来建模和存储一个对象的坐标空间。

在顶点着色器指向之后，顶点位置被认为是在裁剪坐标空间内。

顶点位置从本地坐标空间（也就是物体坐标）到裁剪坐标空间的变化通过加载执行这一转换的对应矩阵来完成，这些矩阵保存在顶点着色器中定义的对应统一变量中。

在后续的博客再介绍如何将顶点位置从对象变化到裁剪坐标，以及如何在顶点着色器中加载对应的矩阵以执行这一变换。

1.1.1 裁剪

为了避免在可视景体之外处理图元，图元被裁剪到裁剪空间。

执行顶点着色器之后的顶点位置处于裁剪坐标空间内。

裁剪坐标是有（Xc,Yc,Zc,Wc）指定的同类坐标。在裁剪空间（Xc,Yc,Zc,Wc）中定义的顶点坐标根据视景体（又称裁剪体）裁剪。

裁剪体由6个裁剪平面定义，这些平面被称作 近、远、左、右、上、下裁剪平面。如下图所示：

在裁剪坐标中，裁剪体如下：

-Wc<=Xc<=Wc
-Wc<=Yc<=Wc
-Wc<=Zc<=Wc

前面的6项检查根据需要裁剪的图元，有助于确定平面的列表。

裁剪阶段把每个图元裁剪为上图所示的裁剪体。

我们在这里所说的“图元”，是指用

• GL_TRIANGLES绘制的单独三角形列表中的每一个三角形，或者一个三角形条带或者扇形中的一个三角形，
• 或者用GL_LINES绘制的单独直线列表中的一条指向，或者一个直线条带或者闭合折线中的一条直线
• 或者点精灵列表中的一个特定点。

对于每种图元类型，执行如下操作：

• 裁剪三角形

  1. 如果三角形完全在视景体内部，则不执行任何裁剪。
  2. 如果三角形完全在视景体之外，则该直线被抛弃。
  3. 如果三角形部分在视景体内，则根据相应的平面裁剪三角形。裁剪操作将生成新的顶点，这些顶点被裁剪到安排为三角扇形的平面。

• 裁剪直线

  1. 如果直线完全在视景体内部，则不执行任何裁剪。
  2. 如果直线完全在视景体之外，则该直线被抛弃。
  3. 如果直线部分在视景体内，则直线被裁剪并生成相应的新顶点。

• 裁剪点精灵

  1. 如果点位置在近或者远裁剪平面之外，或者如果表示点精灵的正方形在裁剪体之外，裁剪阶段将抛弃点精灵
  2. 否则，它将不做变化地通过该阶段，点精灵将在其从裁剪体内部移到到外部时裁剪，反之亦然。

在图元根据六个裁剪平面进行裁剪时，顶点坐标经历透视分离，从而称为规范化的设备坐标。

规范化的设备坐标范围是 -1.0 到 1.0

1.2 透视分割

透视分割取得裁剪坐标（Xc,Yc,Zc,Wc）指定的点，并将其投影到屏幕或者视口上。

这个投影通过将（Xc,Yc,Zc） 除以 Wc 进行。执行（Xc/Wc）、（Yc/Wc）、（Zc/Wc）之后，我们得到规范化的设备坐标（Xd,Yd,Zd）。

这些坐标被称为规范化设备坐标，因为它们落在[ -1.0 ... 1.0 ] 区间。

这些规范化的（Xd, Yd）坐标根据视口的大小将被转换为真正的屏幕（或者窗口）坐标。规范化的（Zd）坐标将用glDepthRangf指定的near和far深度值转换为屏幕的Z值。这些转换在视口变化阶段进行。

1.3 视口变换

视口是一个二维矩形窗口区域，是所有OpenGL ES渲染操作最终显示的地方。

视口变换可用如下API调用设置：

void glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei w, GLsizei h)

参数说明：

• x, y
  指定视口的左下角的窗口坐标，以像素表示
• w,h
  指定视口的宽度和高度，以像素表示，这些值必须大于0

从规范化设备坐标（Xd，Yd，Zd）到窗口坐标（Xw，Yw，Zw）的转换用如下变换给出：

在这个变换中，Ox = x + w / 2, Oy = y + h / 2， n和f代表所需的深度范围。

深度范围值n和f可以用如下API调用设置：

void glDepthRangef(GLclampf n, GLclampf f)

参数说明：

• n、f 指定所需的深度范围。n和f的默认值分别为 0.0 和 1.0。 这两个值限于 (0.0 ,1.0) 区间内。

glDepthRangef 和 glViewport指定的值用于将顶点位置从规范化设备坐标转换为窗口（屏幕）坐标。

初始视口状态被设置为 w = width , h = height ，分别是OpenGL ES 渲染应用程序创建的窗口的宽度和高度。
这个窗口由 eglCreateWindowSurface中指定的EGLNativeWindowType win 参数给出。