OpenGL-ES初探

初识 OpenGL ES

• OpenGL ES是OpenGL的子集
• OpenGL ES 是针对嵌入式设备及移动终端设备的高级3D图形应用程序，例如iOS、Android、Windows等
• OpenGL ES 是跨平台的，不会提供窗口相关方法，需要系统各自提供载体

OpenGL ES渲染流程

OpenGL ES渲染流程

OpenGL ES的渲染主要分为两部分：CPU和GPU

• CPU部分

  app代码通过OpenGL ES API，会调度OpenGL ES Framework

  通过OpenGL ES client 调度 OpenGL ES server，将顶点数据等传递到GPU

• GPU部分

  做一些图形硬件的处理，例如光栅化、显示等

OpenGL ES 图形管道

OpenGL ES 图形管道有以下两种图示，其中原理都是一致的，只是描述方式不同:

图一

OpenGL ES 图形管道

• API获得顶点数据，将顶点数据从内存中拷贝至顶点缓冲区（显存）
• 拿到数据之后，通过attribute通道传递至顶点着色器，同时，纹理坐标通过Texture通道传递到顶点着色器和片元着色器
• 然后，图元装配，即图元的连接方式，一共有9种，常用的有6种，此步骤将顶点变换为图形
• 光栅化：确定图形与屏幕对应的位置
• 片元/片段/像素着色器：处理对应像素点的颜色值
• 在将处理好的每个像素点的颜色值存储到帧缓存区，然后在显示器中显示
• API：可以通过API操作顶点缓冲区、顶点着色器、纹理坐标、片段着色器

Apple官方图示

Apple官方图示

• App：提供图元装配顶点信息，图片信息
• Vertex（顶点着色器）：处理顶点 -- 图形变换（旋转、缩放、平移）
• Geometry（图元装配）：图元装配 + 裁剪（超出屏幕部分被裁剪）
• Fragment（片元着色器）：纹理处理 + 雾化处理
• Framebuffer Operation（帧缓冲区）：透明度混合、模板、深度测试；最后在混合，这些操作都是在即将显示时，在帧缓冲区中完成的动作

顶点着色器

顶点着色器处理顶点的着色器程序，顶点着色器的输入输出如下图所示

顶点着色器

• 输入，有3种方式 1.通过attribute通道输入顶点数据，提供每个顶点的数据 2.通过uniform通道输入统一变量，即顶点/片元着色器中使用的不变的数据 3.采样器：表示顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型

• 输出：经过处理的最终顶点数据，有2种

  1. gl_Position ，是GLSL 的内建变量，是将处理后的最终顶点数据赋值给它
  2. gl_PointSize，是指点的尺寸，即可以在顶点着色器中修改每个点的大小，使用率较低

顶点着色器处理的业务

• 矩阵变换位置
• 算光照公式生成逐顶点颜色（也可以片元着色器）
• 生成/变换纹理坐标：片元着色器是没有办法传入属性即attribute的，可以通过顶点着色器桥接，间接将纹理坐标属性传递到片元着色器

顶点着色器GLSL代码示例

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate; 
uniform mat4 rotateMatrix; 
varying lowp vec2 varyTextCoord; 
void main()
{
    varyTextCoord = textCoordinate;
    vec4 vPos = position;
    vPos = vPos * rotateMatrix;
    gl_Position = vPos; 
}

• attribute、uniform 表示client与server之间的通道
• 其中的vec4、vec2都是向量类型，表示四维向量和二维向量
• mat4：4*4矩阵
• varying是修饰符：通过varying将纹理坐标传入到片元着色器
• lowp：低精度
• main中的操作: 1.实现了纹理坐标的桥接；2.实现了顶点旋转矩阵的相乘：列向量 与 列矩阵 相乘，得到旋转后的顶点坐标；3.将上述得到的顶点坐标，赋值给gl_Position

图元装配、光栅化

• 图元装配：将顶点数据计算成一个个图元
• 光栅化：将图元转化为一组二维片段的过程，主要是由于屏幕是2D的，所以转换的像素点也是二维的

片元着色器

下图展示了片元着色器的输入和输出。

片元着色器

• 输入，和顶点着色器一样，也有3种方式

  1.由顶点着色器桥接传递过来的纹理坐标等

  2.通过uniform通道输入统一变量，即顶点/片元着色器中使用的不变的数据

  3.采样器：表示顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型，例如纹理就是通过采样器传递

• 输出：

  某个像素点经过片元着色器处理后的结果

片元着色器处理的业务

• 计算颜色
• 获取纹理值
• 往像素点中填充颜色值（纹理值/颜色值）

片元着色器GLSL代码示例

varying lowp vec2 varyTextCoord; 
uniform sampler2D colorMap;
void main() {
gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord); }

• varying：必须和顶点着色器中一模一样，这样才能传递纹理坐标
• sampler2D 采样器类型
• texture2D(纹理采样器，纹理坐标)：获取对应位置/坐标的颜色值，简称获得纹素
• gl_FragColor（内建变量）：将最终的颜色值赋值给它

总结

• 顶点着色器、片元着色器都是代码段，类似于iOS中的函数/方法，有返回值.
• 这两个返回值都属于GLSL中的内建变量，是封装好的，直接将数据赋值给它即可.
• 顶点着色器的返回值会被复制给gl_Position,它 是顶点着色器中某一个顶点经过一系列处理后得到的结果;片元着色器的结果会赋值给gl_fragColor，它是经过片元着色器对某一个像素点来进行处理之后的结果。