通過OpenGL理解前端渲染原理（1）

一、OpenGL

OpenGL，是一套繪製3D圖形的API，當然它也可以用來繪製2D的物體。OpenGL有一大套可以用來操作模型和圖片的函式，通常編寫OpenGL庫的人是顯示卡的製造者。我們買的顯示卡都支援特定版本的OpenGL。

下圖是用OpenGL做的旋轉的立方體。

二、渲染原理

2.1 渲染管道

在OpenGL中，所有東西都在一個3D的空間裡，而我們的螢幕和視窗都是2D的，所以OpenGL需要將3D的座標轉換成2D的座標，做這件事的是OpenGL中的渲染管道（graphics pipeline）。

渲染管道可以分成兩大部分：第一部分將3D座標轉換成2D座標；第二部分把2D的座標轉換成實際的畫素。

2.2 著色器

通常來說，渲染管道把一組3D座標轉換成螢幕上帶有顏色的2D畫素需要經過很多步。上一步的輸出作為下一步的輸入，所有步驟都是高度專一的，每步都有一個特定的函式，且可以很容易地併發執行。顯示卡有數千個處理核心來快速處理渲染管道中的資料，而這些是在每個步驟中通過執行在GPU上的多個小程式來處理的，這些小的程式被稱之為程式著色器（shader）。

其中的一些著色器是可以配置的，開發者可以根據需求配置自己的著色器去替代已經存在的那些，這就讓我們能夠更自由和細粒度地控制渲染的過程。同時，因為它們執行在GPU上，又給我們保留了珍貴的GPU時間，在平時的開發中，我們也要充分利用GPU渲染來提高軟體效能。

著色器通常使用GLSL來寫，全稱是OpenGL Shading Language。

2.3 舉個例子

下圖展示了一個抽象的渲染管線中的步驟，其中藍色部分是我們可以注入自己的著色器。

通過上圖我們發現，要把頂點資料轉換成全渲染的畫素要經過很多步，接下來我們對每一個步驟和程式碼進行簡單的解釋。

我們在渲染管線中傳入一組可以組成三角形的3D座標資料，這組資料即頂點資料。頂點資料是頂點的集合，而一個頂點是一個3D座標的集合。

渲染管線的第一步是頂點著色器（Vertex Shader）。我們這裡傳入的是一個簡單的頂點，頂點著色器可以讓我們做一些基礎的處理操作，比如頂點的屬性。

在初始裝配階段，也就是Shape Assembly階段，從頂點著色器中輸出的頂點會形成一個原始的形狀。本例中，輸出的頂點形成的是一個三角形。

從初始裝配階段到geometry shader階段，我們可以通過發散其他頂點來形成新的圖形，本例中形成了第二個三角形。

在Tessellation Shader階段，可以把上一階段給出的原型圖再分割成若干個小的原型圖。本例中，可以形成更多的三角形來創造一個更加平坦、順滑的環境。這麼說可能難以理解，我們結合下圖來進一步闡述，這就是細分曲面著色器的作用。

細分曲面著色器的下一階段是光柵化階段（Rasterzation stage），在這一階段會對最終的原型和呈現在螢幕上的對應畫素做一個對映，形成fragment，供下一階段的fragment shader使用。

Fragment shader最主要的使命是計算出一個畫素的最終顏色，在這個階段我們可以使用OpenGL中一些高階的特效。通常fragment shader會包含3D介面的多個資料，包括燈光、陰影、顏色等等。

當所有對應的顏色都確定以後，最終的原型將會被傳入最後一個步驟，我們稱之為Alpha test and blending階段。這個階段會判斷相應的深度，比如一個物體可能在另一個物體的後面，那它可能採用其他的顏色；或者如果該物體被遮擋，可能會被裁掉。

如上文所述，我們可以看到整個渲染管線的步驟和邏輯是十分複雜的，這其中包含了很多個可以改變的步驟，但我們一般只操作Vertex Shader 和 fragment shader，其他的著色器我們會直接採用預設的。在實際的OpenGL程式設計中，我們至少需要定義一個Vertex Shader和Fragment shader。（需要說明的是，OpenGL 3.1之前的版本包含了固定管線，從3.1版本開始，固定管線從核心中刪掉了，因此我們必須使用著色器去工作）。

三、總結

本文為該系列文章的第一篇，先簡單介紹OpenGL的一些原理，後續文章中會新增新的程式碼分析，包括著色器（Shader）、紋理（Textture）、變形（transformation）、座標系統（Coordinate systems）、相機（Camera）等。

作者：崔曉迪

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