OpenGL初探着色器

OpenGL着色器部分知识学习总结思维导图

初探着色器

• 三个关键词
  • 顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO
  • 顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO
  • 索引缓冲对象：Element Buffer Object，EBO或Index Buffer Object，IBO
• 图形渲染管线
  • 问题：在OpenGL中，任何事物都在3D空间中，而屏幕和窗口却是2D像素数组，这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应你屏幕的2D像素
  • Alpha测试和混合(Blending)阶段
    • 这个阶段检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值（后面会讲），用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值（alpha值定义了一个物体的透明度）并对物体进行混合(Blend)。所以，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同
  • 两部分
    • 第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标
    • 第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素
  • 顶点数据
    • 顶点数据是一系列顶点的集合，顶点数据是用顶点属性(Vertex Attribute)表示的，它可以包含任何我们想用的数据
  • 定义：指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程
  • 图元装配
    • 顶点着色器输出的所有顶点作为输入（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点），并所有的点装配成指定图元的形状
  • 几何着色器
    • 把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状
  • 光栅化阶段
    • 这里它会把图元映射为最终屏幕上相应的像素
    • 当渲染一个三角形时，光栅化(Rasterization)阶段通常会造成比原指定顶点更多的片段。光栅会根据每个片段在三角形形状上所处相对位置决定这些片段的位置。 基于这些位置，它会插值(Interpolate)所有片段着色器的输入变量。比如说，我们有一个线段，上面的端点是绿色的，下面的端点是蓝色的。如果一个片段着色器在线段的70%的位置运行，它的颜色输入属性就会是一个绿色和蓝色的线性结合
  • 片段着色器
    • 在片段着色器运行之前会执行裁切(Clipping)。裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素，用来提升执行效率
    • 片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色
  • 顶点着色器
    • 顶点着色器主要的目的是把3D坐标转为另一种3D坐标，同时顶点着色器允许我们对顶点属性进行一些基本处理
    • 它会在GPU上创建内存用于储存我们的顶点数据，还要配置OpenGL如何解释这些内存，并且指定其如何发送给显卡，顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)管理这个内存，它会在GPU内存（通常被称为显存）中储存大量顶点。使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。
    • 所以我们可以使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO对象
    • unsigned int VBO; glGenBuffers(1, &VBO); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
    • 顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER
    • glBufferData是一个专门用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数
• 标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates, NDC)
  • 一旦你的顶点坐标已经在顶点着色器中处理过，它们就应该是标准化设备坐标了，标准化设备坐标是一个x、y和z值在-1.0到1.0的一小段空间。任何落在范围外的坐标都会被丢弃/裁剪，不会显示在你的屏幕上
  • 你的标准化设备坐标接着会变换为屏幕空间坐标(Screen-space Coordinates)，这是使用你通过glViewport函数提供的数据，进行视口变换(Viewport Transform)完成的。所得的屏幕空间坐标又会被变换为片段输入到片段着色器中。
• 着色器
  • 定义：图形渲染管线可以被划分为几个阶段，每个阶段将会把前一个阶段的输出作为输入。所有这些阶段都是高度专门化的（它们都有一个特定的函数），并且很容易并行执行。正是由于它们具有并行执行的特性，当今大多数显卡都有成千上万的小处理核心，它们在GPU上为每一个（渲染管线）阶段运行各自的小程序，从而在图形渲染管线中快速处理你的数据。这些小程序叫做着色器(Shader)
  • 有些着色器允许开发者自己配置，这就允许我们用自己写的着色器来替换默认的。这样我们就可以更细致地控制图形渲染管线中的特定部分了，而且因为它们运行在GPU上，所以它们可以给我们节约宝贵的CPU时间。OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language, GLSL)写成的
• 顶点属性
  • 顶点着色器允许我们指定任何以顶点属性为形式的输入，我们必须在渲染前指定OpenGL该如何解释顶点数据
  • 我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子：
    • 了这些信息我们就可以使用glVertexAttribPointer函数告诉OpenGL该如何解析顶点数据： glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0);
    • 使用glEnableVertexAttribArray，以顶点属性位置值作为参数，启用顶点属性
  • glVertexAttribPointer
    • 第一个参数指定我们要配置的顶点属性。还记得我们在顶点着色器中使用layout(location = 0)定义了position顶点属性的位置值(Location)吗？它可以把顶点属性的位置值设置为0。因为我们希望把数据传递到这一个顶点属性中，所以这里我们传入0。
    • 第二个参数指定顶点属性的大小
    • 第三个参数指定数据的类型
    • 第四个参数定义我们是否希望数据被标准化(Normalize)
    • 第五个参数叫做步长(Stride)，它告诉我们在连续的顶点属性组之间的间隔
    • 最后一个参数的类型是void*，所以需要我们进行这个奇怪的强制类型转换：也可能是偏移量，如下面介绍
  • 也可以把位置和颜色属性都放在定点属性中： float vertices[] = { // 位置 // 颜色 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 右下 -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 左下 0.0f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f // 顶部 };
  • // 位置属性 glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); // 颜色属性 glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3* sizeof(float))); glEnableVertexAttribArray(1);
  • glVertexAttribPointer 最后一个参数必须指定一个偏移量。对于每个顶点来说，位置顶点属性在前，所以它的偏移量是0。颜色属性紧随位置数据之后，所以偏移量就是
• 索引缓冲对象(Element Buffer Object，EBO
  • 问题：用两个三角形画矩形时，此时就会有重复的点被重复， 能不能只储存四个点，只是制定绘制顺序呢，这就是EBO的工作方式
  • 首先，我们先要定义（不重复的）顶点，和绘制出矩形所需的索引： float vertices[] = { 0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上角 0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角 -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角 -0.5f, 0.5f, 0.0f // 左上角 }; unsigned int indices[] = { // 注意索引从0开始! 0, 1, 3, // 第一个三角形 1, 2, 3 // 第二个三角形 };
  • 创建索引缓冲对象： unsigned int EBO; glGenBuffers(1, &EBO);
  • 和VBO类似，我们会把这些函数调用放在绑定和解绑函数调用之间，只不过这次我们把缓冲的类型定义为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER： glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO); glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
  • 绘制： glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO); glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
  • glDrawElements
    • 第一个参数指定了我们绘制的模式
    • 第二个参数是我们打算绘制顶点的个数
    • 第三个参数是索引的类型
    • 最后一个参数里我们可以指定EBO中的偏移量
    • glDrawElements函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的EBO中获取索引。这意味着我们必须在每次要用索引渲染一个物体时绑定相应的EBO，这还是有点麻烦。不过顶点数组对象同样可以保存索引缓冲对象的绑定状态。VAO绑定时正在绑定的索引缓冲对象会被保存为VAO的元素缓冲对象。绑定VAO的同时也会自动绑定EBO。
  • 代码
    • // ..:: 初始化代码 :: .. // 1. 绑定顶点数组对象 glBindVertexArray(VAO); // 2. 把我们的顶点数组复制到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); // 3. 复制我们的索引数组到一个索引缓冲中，供OpenGL使用 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO); glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW); // 4. 设定顶点属性指针 glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); [...] // ..:: 绘制代码（渲染循环中） :: .. glUseProgram(shaderProgram); glBindVertexArray(VAO); glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0) glBindVertexArray(0);
• 绘制物体
  • 在OpenGL中绘制一个物体，代码会像是这样： // 0. 复制顶点数组到缓冲中供OpenGL使用 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); // 1. 设置顶点属性指针 glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); // 2. 当我们渲染一个物体时要使用着色器程序 glUseProgram(shaderProgram); // 3. 绘制物体 someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle(); 每当我们绘制一个物体的时候都必须重复这一过程， 有没有一些方法可以使我们把所有这些状态配置储存在一个对象中，并且可以通过绑定这个对象来恢复状态呢--顶点数组对象
  • 顶点数组对象
    • 顶点数组对象(Vertex Array Object, VAO)可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中
    • 存储的内容
      • glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用
      • 通过glVertexAttribPointer设置的顶点属性配置
      • 通过glVertexAttribPointer调用与顶点属性关联的顶点缓冲对象
    • 创建一个VAO和创建一个VBO很类似： unsigned int VAO; glGenVertexArrays(1, &VAO);
    • 使用VAO
      • // ..:: 初始化代码（只运行一次 (除非你的物体频繁改变)） :: .. // 1. 绑定VAO glBindVertexArray(VAO); // 2. 把顶点数组复制到缓冲中供OpenGL使用 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); // 3. 设置顶点属性指针 glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); [...] // ..:: 绘制代码（渲染循环中） :: .. // 4. 绘制物体 glUseProgram(shaderProgram); glBindVertexArray(VAO); someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();
      • 一般当你打算绘制多个物体时，你首先要生成/配置所有的VAO（和必须的VBO及属性指针)，然后储存它们供后面使用
  • 绘制一个三角形
    • glUseProgram(shaderProgram); glBindVertexArray(VAO); glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
    • glDrawArrays函数
      • 第一个参数是我们打算绘制的OpenGL图元的类型
      • 第二个参数指定了顶点数组的起始索引
      • 最后一个参数指定我们打算绘制多少个顶点