c++和opengl实现gis_自制游戏引擎 - GameMachine - 渲染流水线 (OpenGL)

GameMachine可以单独编译DirectX11渲染模块：

Froser：自制游戏引擎 - GameMachine - 渲染流水线 (DirectX11)​zhuanlan.zhihu.com

默认情况下，GameMachine自身是实现了OpenGL的渲染的。

流水线是指图元从被构造到被渲染所要经历的过程。每一个阶段在运行时（渲染时）都有严格的顺序，但是对它们进行设置并不一定要遵循上面的顺序。

和之前文章所说的DirectX11一样，OpenGL 3.3以上的版本也有一个固定的流水线：

接下来，我们大致参照GameMachine源码来讲解各个着色器设置阶段。我们将对比DirectX11的流水线来进行介绍。

1. Vertex Specification

类似于DirectX11的IA阶段。我们需要准备好VAO(Vertex Array Object)、VBO(Vertex Buffer Object)，进行布局的定义，并且准备好缓存。

GMModelDataProxy类是用于将这些顶点数据传输给GPU的代理类，对DirectX11和OpenGL有各自的实现。我们节选一段OpenGL下的代码：

 void GMGLModelDataProxy::transfer()
{
	D(d);
	D_BASE(db, GMModelDataProxy);
	if (d->inited)
		return;

	prepareParentModel();

	GMModel* model = getModel();
	if (!model->isNeedTransfer())
		return;

	prepareTangentSpace();

	GMModelBufferData bufferData;
	Vector packedVertices;
	// 把数据打入顶点数组
	packVertices(packedVertices);

	GMsize_t verticeCount = 0;

	GLuint vao;

	GMGLBeginGetErrorsAndCheck();
	glGenVertexArrays(1, &vao);
	bufferData.arrayId = vao;
	glBindVertexArray(vao);

	GLuint vbo;
	glGenBuffers(1, &vbo);
	bufferData.vertexBufferId = vbo;

	GLenum usage = model->getUsageHint() == GMUsageHint::StaticDraw ? GL_STATIC_DRAW : GL_DYNAMIC_DRAW;
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, bufferData.vertexBufferId);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(GMVertex) * packedVertices.size(), packedVertices.data(), usage);

	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Position),	GMVertex::PositionDimension,	GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), 0);
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Normal),		GMVertex::NormalDimension,		GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(3));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Texcoord),	GMVertex::TexcoordDimension,	GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(6));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Tangent),		GMVertex::TangentDimension,		GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(8));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Bitangent),	GMVertex::BitangentDimension,	GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(11));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Lightmap),	GMVertex::LightmapDimension,	GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(14));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Color),		GMVertex::ColorDimension,		GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(16));
	if (glVertexAttribIPointer)
		glVertexAttribIPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::BoneIds),GMVertex::BoneIDsDimension,		GL_INT,				sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(20));
	else // 可能某些ES版本不支持
		glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::BoneIds),	GMVertex::BoneIDsDimension,		GL_INT,   GL_FALSE,	sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(20));
	glVertexAttribPointer(gmVertexIndex(GMVertexDataType::Weights),		GMVertex::WeightsDimension,		GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GMVertex), BIT32_OFFSET(24));

	GM_FOREACH_ENUM_CLASS(type, GMVertexDataType::Position, GMVertexDataType::EndOfVertexDataType)
	{
		glEnableVertexAttribArray(gmVertexIndex(type));
	}

	if (model->getDrawMode() == GMModelDrawMode::Index)
	{
		Vector packedIndices;
		// 把数据打入顶点数组
		packIndices(packedIndices);

		glGenBuffers(1, &bufferData.indexBufferId);
		glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, bufferData.indexBufferId);
		glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(GMuint32) * packedIndices.size(), packedIndices.data(), GL_STATIC_DRAW);

		verticeCount = packedIndices.size();
	}
	else
	{
		verticeCount = packedVertices.size();
	}

	glBindVertexArray(0);
	GMGLEndGetErrorsAndCheck();

	for (auto& part : model->getParts())
	{
		part->clear();
	}

	GMModelBuffer* modelBuffer = new GMModelBuffer();
	modelBuffer->setData(bufferData);

	model->setVerticesCount(verticeCount);
	model->setModelBuffer(modelBuffer);
	modelBuffer->releaseRef();
	d->inited = true;
	model->doNotTransferAnymore();
}

可以看到，上述代码生成了VAO、VBO，并且定义了顶点布局，并且通过glBind*函数进行了绑定。

2. Vertex Shader (VS)

同DirectX11 VS阶段。

3. Tessellation

类似DirectX11 Hull Shader阶段。

4. Geometry Shader

类似DirectX11 GS阶段。

5. Vertex Post-Processing

顶点的后处理主要做两件事情：

1. 变换反馈(Transform Feedback)，将VS阶段输出的顶点坐标反馈回来，即获取VS阶段变换后的坐标。这个可以用来实现一些丰富的粒子效果。不过GameMachine没有使用此阶段。
2. 裁剪。通过设置裁剪距离gl_ClipDistance，OpenGL会对不在距离范围内的顶点进行裁剪。

6. Primitive Assembly

图元装配用于处理裁减面(Cull Face)等。

7. Rasterization

光栅化阶段同DirectX11光栅化阶段。

8. Fragment Shader

同DirectX11 PS阶段。

9. Per-Sample Processing

同DirectX11 OM阶段，即进行深度测试、模板测试、混合等。

GameMachine遵循以上流水线对流程进行抽象。例如，在OpenGL的绘制流程中：

void GMGLTechnique::draw(GMModel* model)
{
	D(d);
	GMGLBeginGetErrorsAndCheck();
	glBindVertexArray(model->getModelBuffer()->getMeshBuffer().arrayId);

	prepareStencil(*d->engine);
	prepareScreenInfo(getShaderProgram());
	beforeDraw(model);
	startDraw(model);
	afterDraw(model);

	glBindVertexArray(0);
	GMGLEndGetErrorsAndCheck();
}

void GMGLTechnique_3D::beforeDraw(GMModel* model)
{
	glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);

	// 材质
	prepareMaterial(model->getShader());

	// 应用Shader
	prepareShaderAttributes(model);

	// 设置光照模型
	GMIlluminationModel illuminationModel = prepareIlluminationModel(model);

	// 纹理
	prepareTextures(model, illuminationModel);
}

我们设置了VAO、模板、Shader的uniform参数等，在DirectX11的渲染中我们做的事情也是类似的：

void GMDx11Technique::draw(GMModel* model)
{
	prepareScreenInfo();
	prepareBuffer(model);
	prepareLights();
	prepareMaterials(model);
	prepareRasterizer(model);
	prepareBlend(model);
	prepareDepthStencil(model);
	prepareTextures(model);
	prepareDebug(model);
	passAllAndDraw(model);
}

总的来说，绘制过程一部分是OpenGL/DirectX的API，另外一部分是对着色器的变量设置。只要理解了渲染流水线，就可以写出适应于不同渲染API的足够抽象的代码。