GPU渲染之OpenGL的GPU管線

GPU渲染流水線，是硬體真正體現渲染概念的操作過程，也是最終將圖元畫到2D屏幕上的階段。GPU管線涵蓋了渲染流程的幾何階段和光柵化階段，但對開發者而言，只有對頂點和片段著色器有可編程式控制制權，其他一律不可編程。如下圖：

簡單總結GPU管線，這階段中主要是對圖元進行操作。首先，將由應用階段載入到顯存中的頂點數據（由drawCall指定後）作為輸入傳遞給頂點著色器。接著，頂點著色器首先對圖元的每個頂點設置模型視圖變換及投影變換（即右乘MVP矩陣），然後將變換後的頂點按照攝像機視椎體定義（即透視投影，或正投影）進行裁剪，將不在視野內的頂點去掉並剔除某些三角面片。最後到幾何階段的屏幕映射，負責把修改過的圖元的坐標轉換到屏幕坐標系中（即投影到屏幕上）。

到光柵化階段，這一階段主要目的是將每個圖元轉換為多個片段，並生成多個片段的位置，由片段著色器負責計算每個片段的顏色值。同時，在這階段片段著色器通常會要求輸入紋理，從而對每個片段進行著色貼圖。每個片段在被發送到幀緩衝區之前，還會經歷一些操作，這些操作可能會修改片段的顏色值，其中包括深度測試，模板測試，像素所有權測試，與當前緩衝區相同位置顏色混合等等。

最後，幀緩衝區內容被交換到屏幕進行顯示。

下面會對各個階段每個知識點進行詳細的分析理解。

一， 頂點著色器

頂點著色器是一段類似C語言的程序（即OpenGL的GLSL，或只支持微軟的HLSL，或Unity的Cg），由程序員提供並在GPU上執行，對每個頂點都執行一次運算。頂點著色器可以使用頂點數據來計算改頂點的坐標，顏色，光照和紋理坐標等。在渲染管線中，每個頂點都獨立的被執行。原因在於頂點著色器本身不能創建或刪除頂點，也無法得到頂點與頂點之間的關係，如無法知道兩個頂點是否屬於同一個三角網格。正因這獨立性，GPU可以並行化處理每一個頂點，提高處理速度。

頂點著色器最重要的功能是執行頂點的坐標變換和逐頂點光照。坐標變換是改變頂點的位置，把頂點坐標從模型空間轉換到齊次裁剪空間（即將本地坐標系轉換為裁剪坐標系）。通過改變頂點位置可以實現很多酷炫的shader效果，如模擬水面，布料等等，這裡後面添加實例學習例子再詳細說明。　頂點著色器的另一功能是向後續階段的片段著色器提供一組易變（Varying）變數，用於插值計算。

二， 圖元裝配

在頂點著色器程序輸出頂點坐標之後，各個頂點按照繪製命令（DrawArrays或DrawElements）中的圖元類型參數和頂點索引數組被組裝成一個個圖元，並對其進行如下圖的圖元操作：

裁剪，處於視椎體以外的圖元將被丟棄，若該圖元與視椎體相交則會發生裁剪產生新圖元，如下圖：

注意一點，透視裁剪是比較影響性能的過程，因為每個圖元都需要和6個裁剪面進行相交計算併產生新圖元。所以一般在x軸，y軸超出屏幕（由glViewPort定義）的部分，這些頂點在視口變換的時候被更高效的直接丟棄，無須產生新圖元。

視椎體在OpenGL中可以通過gluPerspective來定義對應的大小結構，在Cocos2dx引擎中，Director類的setProjection方法就定義了cocos的渲染用到的視椎體，大家可以閱讀對應的代碼了解學習下。

經過視椎體裁剪後的頂點坐標經過透視分離（指由硬體做透視除法），得到範圍是[0,1]的歸一化的設備坐標，最後映射到屏幕或者視口上。

三， 片段著色器

補充：其實在光柵化之前，要判斷圖元的朝向，是面向還是背對觀察者，以決定是否需要丟棄圖元。在OpenGL可通過glFrontFace指令來決定哪個方向為正，並通過glCullFace決定需要保留哪一面（別忘了要先打開剔除狀態設置才可以調用指令 glEnable(GL_CULL_FACE);）。這樣設計的好處是能減少一些不必要的繪製，並減少對GPU的浪費。

回到正題，片段著色器同上述的頂點著色器，只是它作用的對象是每一片段，對其進行著色貼圖。片元著色器的輸入是根據那些從頂點著色器中輸出的數據插值得到的，其中最重要的渲染技術之一是紋理採樣。在頂點著色器階段輸出每一頂點對應的紋理坐標，然後經過光柵化階段對三角網格的3個頂點各自紋理坐標進行插值運算後便得到其覆蓋片元的紋理坐標，從而在片元著色器中進行紋理採樣。如下圖：

四， 逐片元操作

這裡篇幅原因不一一分析每種測試操作，大家可以通過看書了解對應的用途。下面舉混合操作來分析一下。下圖是簡化流程圖：

對於不透明的物體，可以直接關閉混合Blend操作，這樣片元著色器計算得到的顏色值直接覆蓋更新緩衝區的顏色值。但對於半透明物體就必須開啟使用混合操作從而讓物體看起來是透明的。開發過程中無法得到透明效果的原因，往往有可能是沒有開啟混合功能的原因。

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