OpenGL渲染管线漫谈

Posted 2020-09-29

如果把OpenGL看做一个加工机器，它的功能就是把一系列顶点纹理数据可以在屏幕上面显示的像素。这就如同面条机器把一定比例的面和水加工成一根根面条一样。面条机器可以设置面条的宽度和厚度，这可以影响整个加工的面条，就相当于OpenGL可以设置纹理过滤模式，混合模式等全局状态，可以影响到这一帧的像素输出。从glDrawElements开始，OpenGL流水线就开始运作了，它由一系列过程串联而成，其中有些是程序可以操作的，比如顶点片段着色器；有些戏系统根据设置的全局OpenGL状态自动作用的，比如纹理采样和光栅化。

顶点着色：

这个过程完全由程序掌握，它可以使用所有传人的attribute和uniform变量。一般attribute变量包括位置，颜色，纹理，法线，uniform包括变换矩阵，灯光位置。输出包括变换后的顶点位置，通过视图投影变换，把位置变换为0~1之间，如果不再这个范围内，这个点在后面的剪切过程中剪切剔除掉，并由其它新生成的点代替。很多情况下也会包括纹理坐标，某些情况也会计算顶点的光照颜色。这些输出除了位置都是作为varying变量传递到下一个管线。

细分着色和集合着色：

顶点着色输出的是各个顶点数据，这两个过程会对顶点进行更进一步处理，比如创建更多图元。这两个过程在游戏中很少用到。所以一般可从顶点着色直接跳到下一步。

图元装配：

前面都是对顶点的处理，这里会把前面的顶点重新组装称为图元，比如一个个三角形。组装的原则是根据glDrawElements设置的参数，比如GL_TRIANGLES。

剪切：

在顶点着色中生成的顶点位置如果不再0~1之间，在这里会被剪切掉，通过剪切掉不必要的图元，会显著降低后面流程的工作量。这个部分完全由gl操作。

光栅化：

上面所有步骤输出的结果是一个个多边形，而最终显示的是一个个像素区域。这一步所做的就是把多边形通过插值生成一个个片段，即候选像素。除了位置，还有顶点着色输出的varying类型都会被插值，一般包括纹理坐标，法线坐标。

片段着色：

这一步计算光栅化之后每个片段的对应颜色和深度值，这是完全可编程的，也可以根据判断丢弃本片段。

剪切测试：

如果片段在glScissor范围之外，则直接丢弃。本过程完全由OpenGL处理。

模板测试：

可以用来实现倒影镂空等特效。测试失败则根据设置修改输出帧缓冲的模板值，然后丢弃；否则进行下面的深度测试。本过程完全由OpenGL处理。

深度测试：

如果失败则只根据设置修改模板值，然后丢弃。否则修改模板深度缓存并进行到下一步。本过程完全由OpenGL处理。

alpha混合：

混合前面计算的像素颜色和当前缓存的颜色，可用于半透明效果。本过程完全由OpenGL处理。

后面还有抖动和逻辑操作处理，但是对于一般游戏开发来说，alpha混合之后，就相当于得到显示到屏幕的颜色了。

这个流程完全是串行处理的，要降低后面的计算量，就要尽可能在更前面的步骤剔除掉不会最终显示的图元片段。程序可以操作的地方有两个。一个是在进入OpenGL管线之前，尽可能通过场景管理剔除掉不需要的图元；另一个是采用由近及远的画法，在深度测试中丢弃不会显示的片段。可以看到场景管理尤其重要，好的场景算法可以大大降低显卡的负担。