深入理解现代 OpenGL
在博客中曾经写了一篇文章介绍了 OpenGL 编程环境的搭建，并对 OpenGL 进行了简要介绍。今天想在这篇博客里，更为深入地学习和理解 OpenGL。文章的内容主要整理自《OpenGL 编程指南》(第 8 版) 的第一章「 OpenGL 概述」。这本称之为 「 OpenGL 红宝书」的第 8 版和第 7 版之间最大的区别，是 OpenGL 的版本从 OpenGL 2.x 变成了 OpenGL 4.x，渲染管线也从固定管线变为可编程管线。接下来的内容将覆盖 OpenGL 的作用以及 OpenGL 渲染管线各个阶段的介绍。
OpenGL 的含义
OpenGL 是一种应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），它是一种可以对图形硬件设备特性进行访问的软件库。OpenGL 库最新的 4.3 版本包含了超过 500 个不同的命令，可以用于设置所需的对象、图像和操作，以便开发出交互式的三维计算机图形应用程序。
OpenGL 被设计为一个现代化、硬件无关的接口。因此可在不考虑计算机操作系统或窗口系统的前提下，在多种不同的图形硬件系统上，或者完全通过软件的方式应用 OpenGL 的接口。OpenGL 自身并不包括任何执行窗口任务或者处理用户输入的函数，OpenGL 也没有提供任何用于表达三维物体模型，或者读取图像文件（例如JPEG文件）的操作。这时，需要通过一系列的几何图元（geometric primitive）（包括点、线、三角形）来创建三维空间的物体。
一个用来渲染图像的 OpenGL 需要执行的主要操作如下所示：
- 从 OpenGL 的几何图元中设置数据，用于构建形状。
- 使用不同的着色器（shader）对输入的图元数据执行计算操作，判断它们的位置、颜色，以及其他渲染属性。
- 将输入图元的数学描述转换为与屏幕位置对应的像素片元（fragment）。这一步也称为光栅化（rasterization）。
- 最后针对光栅化过程产生的每个片元，执行片元着色器（fragment shader），从而决定这个片元的最终颜色和位置。
- 如果有必要，还需要对每个片元执行一些额外的操作，例如判断片元对应的对象是否可见，或者将片元的颜色与当前屏幕位置的颜色进行融合。
OpenGL 是使用客户端-服务端的形式实现的，我们编写的应用程序可以看作客户端，而计算机图形硬件厂商所提供的 OpenGL 实现可以看作服务端。OpenGL 的某些实现允许服务端和客户端在一个网络内的不同计算机上运行。这种情况下，客户端负责提交 OpenGL 命令，这些 OpenGL 命令随后被转换为窗口系统相关的协议，通过共享网络传输到服务端，最终执行并产生图像内容。
OpenGL 中常用的相关概念
在进一步介绍 OpenGL 的渲染管线之前，可先对 OpenGL 与图形学有关的概念作一定的了解。
渲染（render）表示计算机从模型创建最终图像的过程。OpenGL 只是其中一种渲染系统，除此之外，还有很多其他的渲染系统。OpenGL 是基于光栅化的系统，但还有别的方法用于生成图像。
模型（model），是通过几何图元，例如点、线、和三角形来构建的，而它与模型的顶点（vertex）也存在着各种对应关系。
OpenGL 另一个最本质的概念叫做着色器（shader），它是图形硬件设备所执行的一类特殊函数。理解着色器最好的方法是把它看作专为图形处理单元（GPU）编译的一种小型程序。OpenGL 在其内部包含了所有的编译器工具，可以直接从着色器源代码创建 GPU 所需的编译代码并执行。在 OpenGL 中，会用到四种不同的着色阶段（shader stage）。其中最常用的包括顶点着色器（vertex shader）以及片元着色器（fragment shader），前者用于处理顶点数据，后者用于处理光栅化后的片元数据。所有的 OpenGL 程序都需要用到这两类着色器。
最终生成的图像包含了屏幕上绘制的所有像素点。像素（pixel）是显示器上最小显示单位。计算机系统将所有的像素都保存在了帧缓存（frame buffer）中，然后传输至显示设备，帧缓存是由图形硬件管理的一个存储区。
OpenGL 渲染管线
OpenGL 实现了我们通常所说的渲染管线（rendering pipeline），它是一系列数据处理过程，并且将应用程序的数据转换到最终渲染的图像。下图为 OpenGL 4.3 版本的渲染管线。自从 OpenGL 诞生以来，它的渲染管线已经发生了非常大的变化。
OpenGL 首先接收用户提供的几何数据（顶点和几何图元），并且将它输入到一系列着色器阶段中进行处理，包括：顶点着色、细分着色，以及最后的几何着色，然后它将被送入光栅化单元（rasterizer）。光栅化单元负责对所有剪切区域（clipping region）内的图元生成片元数据，然后对每个生成的片元都执行一个片元着色器。
对于 OpenGL 应用程序而言，着色器扮演了一个最重要的角色。你可完全控制自己需要用到的着色器来实现自己所需的功能。我们不需要用到所有的着色阶段，实际上，只有顶点着色器和片元着色器是必需的。细分和几何着色器是可选的步骤。现在，将稍微深入到每个着色阶段当中，对其中背景概念进一步了解，对 OpenGL 开发过程会有一个更好的帮助。
1. 准备向 OpenGL 传输数据
OpenGL 需要将所有的数据都保存到缓存对象（buffer object）中，它相当于由 OpenGL 服务端维护的一块内存区域。我们可以使用多种方式来创建这样的数据缓存，不过最常用的方法就是 glBufferData() 函数，并需要对缓存做一些额外的设置。
2. 将数据传输到 OpenGL
当将缓存初始化完毕之后，我们可以通过调用 OpenGL 的一个绘制命令来请求渲染几何图元，glDrawArrays() 就是一个常用的绘制命令。
OpenGL 的绘制通常就是将顶点数据传输到 OpenGL 服务端。我们可以将一个顶点视为一个需要统一处理的数据包。这个包中的数据可以是我们需要的任何数据，几乎始终会包含位置数据。其它的数据可能用来决定一个像素的最终颜色。
3. 顶点着色
对于绘制命令传输的每个顶点，OpenGL 都会调用一个顶点着色器来处理顶点相关的数据。根据其它光栅化之前的着色器的活跃与否，顶点着色器可能会非常简单，例如，只是将数据复制并传递到下一个着色阶段，这叫做传递着色器（pass-through shader）；它也可能非常复杂，例如，执行大量的计算来得到定点在屏幕上的位置（一般情况下，会用到变换矩阵），或者通过光照的计算来判断顶点的颜色，或者其他的一些技法的实现。
通常来说，一个复杂的应用程序可能包含许多个顶点着色器，但是在同一时刻只能有一个顶点着色器起作用。
4. 细分着色
顶点着色器处理每个顶点的关联数据之后，如果同时激活了细分着色器（tessellation shader），那么它将进一步处理这些数据。细分着色器会使用 Patch 来描述一个物体的形状，并且使用相对简单的 Patch 几何体连接来完成细分的工作，其结果是几何图元的数量增加，并且模型的外观会变得更为平顺。细分着色阶段会用到两个着色器来分别管理 Patch 数据并生成最终的形状。
5. 几何着色
下一个着色阶段是几何着色，允许在光栅化之前对每个几何图元做更进一步的处理，例如创建新的图元。这个着色阶段也是可选的，但是非常有用。
6. 图元装配
前面介绍的着色阶段所处理的都是顶点数据，此外这些顶点之间如何构成几何图元的所有信息也会被传递到 OpenGL 当中。图元装配阶段将这些顶点与相关的几何图元之间组织起来，准备下一步的剪切和光栅化工作。
7. 剪切
顶点可能会落在视口（viewport）之外，也就是我们可以进行绘制的窗口区域之外，此时与顶点相关的图元会进行一些改动，以保证相关的像素不会在视口外绘制。这一过程叫做剪切（clipping），它是由 OpenGL 自动完成的。
8. 光栅化
剪切之后马上要执行的工作，就是将更新后的图元传递到光栅化单元，生成对应的片元。我们可以将一个片元视为一个“候选的像素”，也就是可以设置在帧缓存中的像素，但是它也可能给被最终剔除，不再更新对应的像素位置。之后的两个阶段将会执行片元的处理，即片元着色和逐片元的操作。
9. 片元着色
最后一个可以通过编程控制屏幕上显示颜色的阶段，叫做片元着色阶段。在这个阶段中，我们使用着色器来计算片元的最终颜色（尽管在下一个阶段（逐片元的操作）时可能还会改变颜色一次）和它的深度值。片元着色器非常强大，在这里我们会使用纹理映射的方式，对顶点处理阶段所计算的颜色值进行补充。如果我们觉得不应该继续绘制某个片元，在片元着色器中还可以终止这个片元处理，这一步叫做片元的丢弃（discard）。
为了更好地理解处理顶点的着色器和片元着色器的区别，可以用这种方式思考：顶点着色（包括细分和几何着色）决定了一个图元应该位于屏幕的什么位置，而片元着色使用这些信息来决定某个片元的颜色应该是什么。
10. 逐片元的操作
除了我们在片元着色器里做的工作之外，片元操作的下一步就是最后的独立片元处理过程。在这个阶段里会使用深度测试（depth test，或者通常也称作 z-buffering）和模板测试（stencil test）的方式来决定一个片元是否是可见的。
如果一个片元成功地通过了所有激活的测试，那么它就可以被直接会知道帧缓存中了，它对应的像素的颜色值（也可能是包括深度值）会被更新，如果开启了融合（blending）模式，那么片元的颜色会与改像素当前的颜色相叠加，形成一个新的颜色值并写入帧缓存中。
初识 OpenGL 程序
这里会给出一个简单的代码例子来展示 OpenGL 应用程序的基本结构，但这里暂时不对具体代码作进一步展开，程序目的只是辅助理解上述较为抽象的 OpenGL 概念。下图显示了一个简单的OpenGL程序的输出，在窗口中渲染了两个蓝色的三角形。
核心的主程序 triangles.cpp 代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 | #include <iostream> using namespace std; #include "vgl.h" #include "LoadShaders.h" enum VAO_IDs {Triangles, NumVAOs}; enum Buffer_IDs {ArrayBuffer, NumBuffers}; enum Attrib_IDs {vPosition = 0}; GLuint VAOs[NumVAOs]; GLuint Buffers[NumBuffers]; const GLuint NumVertices = 6; void init(void) { glGenVertexArrays(NumVAOs, VAOs); glBindVertexArray(VAOs[Triangles]); GLfloat vertices[NumVertices][2] = { {-0.90, -0.90}, // Triangle 1 {0.85, -0.90}, {-0.90, 0.85}, {0.90, -0.85}, // Triangle 2 {0.90, 0.90}, {-0.85, 0.90} }; glGenBuffers(NumBuffers, Buffers); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); ShaderInfo shaders[] = { {GL_VERTEX_SHADER, "triangles.vert"}, {GL_FRAGMENT_SHADER, "triangles.frag"}, {GL_NONE, NULL} }; GLuint program = LoadShaders(shaders); glUseProgram(program); glVertexAttribPointer(vPosition, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, BUFFER_OFFSET(0)); glEnableVertexAttribArray(vPosition); } void display(void) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glBindVertexArray(VAOs[Triangles]); glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, NumVertices); glFlush(); } int main(int argc, char** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA); glutInitWindowSize(512, 512); glutInitContextVersion(4, 3); glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE); glutCreateWindow(argv[0]); glewExperimental = GL_TRUE; if (glewInit()) { cerr << "Unable to initialize GLEW ... exiting" << endl; exit(EXIT_FAILURE); } init(); glutDisplayFunc(display); glutMainLoop(); } |
顶点着色器 triangles.vert：
1 2 3 4 5 6 7 8 | #version 430 core layout(location = 0) in vec4 vPosition; void main() { gl_Position = vPosition; } |
片元着色器 triangles.frag：
1 2 3 4 5 6 7 8 | #version 430 core out vec4 fColor; void main() { fColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0); } |
核心代码文件 triangles.cpp 主要由三个函数构成，分别是init()，display() 和 main()。init() 函数是用于初始化后面程序要用到的一些数据，display() 函数执行了程序中的渲染工作，而 main() 函数则是用于窗口的建立和进入时间循环。另外两个文件是顶点着色器和片元着色器，它们会在初始化的过程中被加载。
需要注意的是核心代码文件中引用到的两个头文件“vgl.h”和“LoadShaders.h”都只是基础工具类头文件。LoadShaders() 函数就是用于加载给 GPU 执行的shader，即加载上面的两个着色器文件 triangles.vert 和 triangles.frag。
参考文献
Shreiner D, Sellers G, Kessenich J M, et al. OpenGL programming guide: The Official guide to learning OpenGL, version 4.3[M]. Addison-Wesley, 2013.
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