OpenGL OpenGL管线 与 可编程管线流程

Posted 2020-09-03 松阳

由于OpenGL是一个纯渲染核心，要写OpenGL程序，得先搭建一个外壳程序。不同平台下外壳程序的实现各有不同，这个系列的文章都在win32的平台上进行。具体实现，网上能找到很多，所以这不是本文的重点。本篇主要构建探讨 OpenGL管线 本身，具体说来，就是构建可编程管线。

主体流程

大体流程是：

1. 在main函数中拉起外壳程序，初始化一些默认参数。例如双缓冲，32位颜色等。
2. 创建GL上下文（HGLRC）。
3. 加载&设置OpenGL的相关参数
4. 在帧循环中进行绘制

至于固定管线和可编程管线，主要区别在3、4部分。固定管线是将绘制的方法写死到代码中，而可编程管线可以理解为脚本化了渲染的逻辑。不过这两者渲染的数据部分仍由编译后的程序提供。

具体说来，通过一种语法定义，将一个文本文件实例化到内存中，并且在运行时动态编译，挂载，链接到GPU程序中，完成绘制算法的替换。对应的，由于所有数据都放在内存中，绘制时，需要将它传输到GPU上，这就是缓冲区(glBuffer)。缓冲区在CPU上，会将在某些时间段内缓冲区的数据一起提交给GPU。

实现

总的来看，可编程管线动态生成了一段绘制程序，在每个GPU核心通过绘制命令，绘制传给他数据。简单的看下两部分的代码片段：

首先是创建GPU绘制程序

GLuint CreateGPUProgram(const char* vsShaderPath,const char* fsShaderPath)
{
    GLuint vsShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    GLuint fsShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

    //Load
    const char* vsCode = LoadFileContent(vsShaderPath);
    const char* fsCode = LoadFileContent(fsShaderPath);

    //Compile
    glShaderSource(vsShader,1,&vsCode,nullptr);
    glShaderSource(fsShader,1,&fsCode,nullptr);
    glCompileShader(vsShader);
    glCompileShader(fsShader);

    //Attach
    GLuint program = glCreateProgram();
    glAttachShader(program,vsShader);
    glAttachShader(program,fsShader);

    //Link
    glLinkProgram(program);

    //Clear
    glDetachShader(program,vsShader);
    glDetachShader(program,fsShader);
    glDeleteShader(vsShader);
    glDeleteShader(fsShader);

    return program;
}

当GPU程序创建完成之后，就可以在主线程中写一个死循环，然后调用下面的绘制命令：

struct Vertex
{
    float pos[3];
    float color[3];
};

void VFRender()
{
    glUseProgram(s_program);
    glUniformMatrix4fv(s_shaderData.MLocation,1,GL_FALSE,identify);
    glUniformMatrix4fv(s_shaderData.VLocation,1,GL_FALSE,identify);
    glUniformMatrix4fv(s_shaderData.PLocation,1,GL_FALSE,glm::value_ptr(s_shaderData.projection));

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,s_shaderData.vbo);
    glEnableVertexAttribArray(s_shaderData.posLocation);
    glVertexAttribPointer(s_shaderData.posLocation,3,GL_FLOAT,GL_FALSE,sizeof(Vertex),nullptr); 
    glEnableVertexAttribArray(s_shaderData.colorLoacation);
    glVertexAttribPointer(s_shaderData.colorLoacation,3,GL_FLOAT,GL_FALSE,sizeof(Vertex),(void*)(sizeof(float)*3)); 

    glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,3);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);
    glUseProgram(0);
}

其中，绘制的顶点数据是s_shaderData.vbo,这些VBO(VertexBufferObject)数据通常在绘制之前就已准备好了。关于VBO的组成原理，我会在之后再写一篇文章详述。

GL2.0限制

由于目前市场上大多手机还是OpenGL2.0，总结了一下2.0需要注意的事项：

• 对于支持GL2.0最差的硬件，只支持输入8个Vector4。即attribute输入的vec4不应超过8。uniform不受此限制。
• 矩阵会占用4个vec4，因此不应使用attribute修饰mat4，应使用uniform。
• VertexShader与FragmentShader传递的变量使用varying进行标记。
• VS里面必须给gl_Position赋值，否则无法绘制。

GLSL 例子

最简单的shader可以写成这样:

VertexShader

attribute vec3 pos;
attribute vec4 color;

uniform mat4 M;
uniform mat4 V;
uniform mat4 P;

varying vec4 V_Color;
void main()
{
    V_Color = color;
    gl_Position = P*V*M*vec4(pos,1.0);
}

FragmentShader

varying vec4 V_Color;

void main(){
    gl_FragColor = V_Color;
}

简化看来，VertexShader处理3d的绘制信息，输出2d绘制信息。FragmentShader则是对2d信息进行色彩加工。

总结

以上就是构建 OpenGL管线 的流程。需要注意的是，一些变量需要从C++程序传入到OpenGL中。这是因为视口程序通常会提供一些动态更改这些值的方法。因此从外面传入shader会更灵活。如果在测试阶段，可以直接在shader中声明这些值，就省去了跨程序传值的烦恼。

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