通过OpenGL理解前端渲染原理（1）

一、OpenGL

OpenGL，是一套绘制3D图形的API，当然它也可以用来绘制2D的物体。OpenGL有一大套可以用来操作模型和图片的函数，通常编写OpenGL库的人是显卡的制造者。我们买的显卡都支持特定版本的OpenGL。

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下图是用OpenGL做的旋转的立方体。

二、渲染原理

2.1 渲染管道

在OpenGL中，所有东西都在一个3D的空间里，而我们的屏幕和窗口都是2D的，所以OpenGL需要将3D的坐标转换成2D的坐标，做这件事的是OpenGL中的渲染管道（graphics pipeline）。

渲染管道可以分成两大部分：第一部分将3D坐标转换成2D坐标；第二部分把2D的坐标转换成实际的像素。

2.2 着色器

通常来说，渲染管道把一组3D坐标转换成屏幕上带有颜色的2D像素需要经过很多步。上一步的输出作为下一步的输入，所有步骤都是高度专一的，每步都有一个特定的函数，且可以很容易地并发执行。显卡有数千个处理核心来快速处理渲染管道中的数据，而这些是在每个步骤中通过运行在GPU上的多个小程序来处理的，这些小的程序被称之为程序着色器（shader）。

其中的一些着色器是可以配置的，开发者可以根据需求配置自己的着色器去替代已经存在的那些，这就让我们能够更自由和细粒度地控制渲染的过程。同时，因为它们运行在GPU上，又给我们保留了珍贵的GPU时间，在平时的开发中，我们也要充分利用GPU渲染来提高软件性能。

着色器通常使用GLSL来写，全称是OpenGL Shading Language。

2.3 举个例子

下图展示了一个抽象的渲染管线中的步骤，其中蓝色部分是我们可以注入自己的着色器。

通过上图我们发现，要把顶点数据转换成全渲染的像素要经过很多步，接下来我们对每一个步骤和代码进行简单的解释。

我们在渲染管线中传入一组可以组成三角形的3D坐标数据，这组数据即顶点数据。顶点数据是顶点的集合，而一个顶点是一个3D坐标的集合。

渲染管线的第一步是顶点着色器（Vertex Shader）。我们这里传入的是一个简单的顶点，顶点着色器可以让我们做一些基础的处理操作，比如顶点的属性。

在初始装配阶段，也就是Shape Assembly阶段，从顶点着色器中输出的顶点会形成一个原始的形状。本例中，输出的顶点形成的是一个三角形。

从初始装配阶段到geometry shader阶段，我们可以通过发散其他顶点来形成新的图形，本例中形成了第二个三角形。

在Tessellation Shader阶段，可以把上一阶段给出的原型图再分割成若干个小的原型图。本例中，可以形成更多的三角形来创造一个更加平坦、顺滑的环境。这么说可能难以理解，我们结合下图来进一步阐述，这就是细分曲面着色器的作用。

细分曲面着色器的下一阶段是光栅化阶段（Rasterzation stage），在这一阶段会对最终的原型和呈现在屏幕上的对应像素做一个映射，形成fragment，供下一阶段的fragment shader使用。

Fragment shader最主要的使命是计算出一个像素的最终颜色，在这个阶段我们可以使用OpenGL中一些高级的特效。通常fragment shader会包含3D界面的多个数据，包括灯光、阴影、颜色等等。

当所有对应的颜色都确定以后，最终的原型将会被传入最后一个步骤，我们称之为Alpha test and blending阶段。这个阶段会判断相应的深度，比如一个物体可能在另一个物体的后面，那它可能采用其他的颜色；或者如果该物体被遮挡，可能会被裁掉。

如上文所述，我们可以看到整个渲染管线的步骤和逻辑是十分复杂的，这其中包含了很多个可以改变的步骤，但我们一般只操作Vertex Shader 和 fragment shader，其他的着色器我们会直接采用默认的。在实际的OpenGL编程中，我们至少需要定义一个Vertex Shader和Fragment shader。（需要说明的是，OpenGL 3.1之前的版本包含了固定管线，从3.1版本开始，固定管线从核心中删掉了，因此我们必须使用着色器去工作）。

三、总结

本文为该系列文章的第一篇，先简单介绍OpenGL的一些原理，后续文章中会添加新的代码分析，包括着色器（Shader）、纹理（Textture）、变形（transformation）、坐标系统（Coordinate systems）、相机（Camera）等。

作者：崔晓迪

来源：宜信技术学院