OpenGL ES之旅（一）-- OpenGL ES着色器渲染流程解析

OpenGL ES（OpenGL for Embedded System）是以手持和嵌入式为目标的高级3D图形应用程序编程接口。OpenGL ES是目前智能手机中占据统治地位的图形API，支持的平台有：iOS，Android，BlackBerry，bada，Linux，Windows。
这里附上苹果关于OpenGL ES的官方文档地址：OpenGL ES编程指南

简要说明

OpenGL ES 开放式图形库(OpenGL的)⽤用于可视化的⼆二维和三维数据。它是⼀一个多功能开放标准图形库，⽀支持2D和3D数字内 容创建，机械和建筑设计，虚拟原型设计，⻜飞⾏行行模拟，视频游戏等应⽤用程序。您可以使⽤用OpenGL配置3D图形管道并向其提交数 据。顶点被变换和点亮，组合成图元，并光栅化以创建2D图像。OpenGL旨在将函数调⽤用转换为可以发送到底层图形硬件的图形命 令。由于此底层硬件专⽤用于处理理图形命令，因此OpenGL绘图通常⾮非常快。
OpenGL for Embedded Systems(OpenGL ES)是OpenGL的简化版本，它消除了冗余功能，提供了⼀个既易于学习又更易在移动图形硬件中实现的库。

屏幕快照 2019-06-04 15.55.54.png

如上图，OpenGL ES允许应用程序利用底层图形处理器的强大功能。iOS设备上的GPU可以执行复杂的2D和3D绘图，以及最终图像中每个像素的复杂着⾊计算。

OpenGL ES 3.0图形渲染管线

记住下面这张图，当中带阴影的方框表示OpenGL ES 3.0管线中可编程的阶段。

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顶点着色器

顶点着色器主要进行顶点相关的一些操作。可以用于通过矩阵变换位置、计算照明公式来生成逐顶点颜色以及生成或者变换纹理坐标等基于顶点的传统操作。产生纹理坐标、颜色、点位置等信息送往后续阶段。

顶点着色器的输入包括：

• 着色器程序一一描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码或者可执行文件。
• 顶点着色器输人(或者属性)一一用顶点数组提供的每个顶点的数据。
• 统一变量(uniform)一一顶点(或者片段)着色器使用的不变数据。
• 采样器一一代表顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型。

下图是顶点着色器的输入输出模型:

顶点着色器的输入输出模型

顶点着色器取得一个位置及相关的颜色数据作为输入属性，用一个 4x4矩阵变换位置，并输出变换后的位置和颜色。

顶点着色器的业务：

• 矩阵变换位置
• 计算光照公式生成逐顶点颜色
• 生成/变换纹理坐标

总结：它可以用于执⾏⾃定义计算,实施新的变换,照明或者传统的固定功能所不允许的基于顶点的效果。

顶点着色器代码案例：

attribute vec4 position; // 顶点着色器输入的位置属性
attribute vec2 textCoordinate; // 顶点着色器输入的纹理属性
uniform mat4 rotateMatrix; // 统一变量,储存旋转矩阵
varying lowp vec2 varyTextCoord; 
void main()

{
varyTextCoord = textCoordinate;
vec4 vPos = position;
vPos = vPos * rotateMatrix;
gl_Position = vPos; // 内建变量gl_Position 是自动声明的,变换后的位置写入gl_Positon输出
}

图元装配

顶点被组合成图元的过程叫做 图元装配。图元是指点、直线和三角形。该过程还有两个重要操作：裁剪和淘汰。裁剪是指对于不在视锥体（屏幕上可见的3D区域）内的图元进行裁剪；淘汰是指根据图元面向前方或后方选择抛弃它们（如物体内部的点）。

对于每个图元，会抛弃图元不在 视锥体(屏幕可见的区域)内的部分，在视锥体内的区域的部分经过裁剪之后，将顶点位置转换为屏幕坐标。然后传递到管线的下一阶段 —— 光栅化阶段。

光栅化

光栅化阶段会绘制对应的图元。光栅化是将图元转化为二维片段 的过程，然后这些片段再由片段着色器处理。这些二维片段代表可在屏幕上绘制的像素。下图为光栅化流程:

光栅化流程

片段着色器

为片段上的操作实现了通用的可编程方法，采用如下输入对每个光栅化阶段的片段执行这个着色器。

• 着色器程序——描述片段上所执行操作的片段着色器程序源代码或者可执行文件。
• 输入变量——光栅化单元用插值为每个片段生成的顶点着色器输出。
• 统一变量——片段（或者顶点）着色器使用的不变数据。
• 采样器——代表片段着色器所用纹理的特殊统一变量类型。

片段着色器可以抛弃片段，也可以生成一个或多个颜色值作为输出。片段着色器一般只输出一个颜色值，在 渲染多重目标 的时候会为每一个渲染目标输出一个颜色值。
光栅化阶段 生成的 颜色、深度、模板 和 屏幕坐标位置（Xw,Yw） 变成 OpenGL ES 3.0管线 逐片段操作 阶段的输入。

片段着色器的业务：

• 计算颜色
• 获取纹理值
• 往像素点中填充颜⾊色值（纹理理值/颜⾊色值）

总结:它可以⽤用于图⽚片/视频/图形中每个像素的颜⾊色填充(⽐比如给视频添加滤镜,实际 上就是将视频中每个图⽚片的像素点颜⾊色填充进⾏行行修改.)

片段着色器代码案例：

varying lowp vec2 varyTextCoord; # 精度限定符
uniform sampler2D colorMap; # 采样器
void main()

{
gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord); # 片段着色器的输出变量， 即传递到逐片段操作的颜色，输出颜色设置为输入颜色 片段着色器的输入在图元之间进行线性插值 然后传递给片段着色器
}

逐片段操作

光栅化阶段生成的屏幕坐标为（Xw,Yw）的片段只能修改 帧缓冲区 中位置为（Xw,Yw）的像素。
下图描述了OpenGL ES 3.0 逐片段操作阶段:

像素归属测试

确定帧缓区中的位置（Xw,Yw）的像素是不是归OpenGL ES 所有。被遮挡的像素则不属于OpenGL ES 的上下文，从而不显示这些像素。此过程在OpenGL ES 内部处理，不由开发人员控制。

剪裁测试

确定（Xw,Yw）是否位于OpenGL ES 状态的一部分的裁剪矩形范围内，抛弃范围之外的片段。

模板测试、深度测试

这些测试在输入片段的 模板 和 深度值 上进行 ，以确定片段是否都该被拒绝。

混合

将新生成的颜色和保存在帧缓冲区（Xw,Yw）位置的颜色值组合起来。

抖动

用于最小化 因为使用有限精度在帧缓冲区中保存颜色值而产生的伪像。

在逐片段操作阶段的最后，片段 被拒绝 或者 在帧缓冲区（Xw,Yw）位置写入片段的颜色、深度或者模板值。
写入片段的颜色、深度或者模板值 取决于 启用的相应写入掩码。写入掩码可以更精细的控制写入的值。例如，可以设置颜色缓冲区的写入掩码 使得 任何红色值都不被写入到颜色缓冲区。

帧缓冲区

OpenGL 管线的最终渲染目的地被称作帧缓存（FrameBuffer）。

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总结：以上就是OpenGL ES 3.0的图形渲染管线的流程大致过程解析，与之前的OpenGL系列的相关内容很相似，但是又不是完全的一样，从现在开始，我们将学习到和我们iOS相关的OpenGL ES相关的知识系列文章，开启入坑的大门。

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系列文章：

• OpenGL ES之旅（一）-- OpenGL ES 着色器渲染流程解析
• OpenGL ES之旅（二）-- OpenGL ES 了解GLKit框架
• OpenGL ES之旅（三）-- OpenGL ES 纹理翻转解决策略
• OpenGL ES之旅（四）-- OpenGL ES 光照计算