OpenGL流水线概览
发表于2018-03-02
渲染流水线（Rendering Pipeline）是OpenGL渲染物件时候的一系列步骤，下面就给大家介绍下这个OpenGL 渲染流水线步骤。
流水线（Pipeline）
OpenGL 渲染流水线按照下面的步骤工作：
1.准备顶点数据（ vertex array data）而后渲染他
2.顶点处理
- 每个顶点在顶点Shader里被处理，然后变成一个输出顶点。
- （可选）原图形填充（tessellation ）步骤。
- （可选）几何 Shader 原图形处理，输出将是一序列的原图形。
3.顶点后期处理，最后一步的输出，将会被调整并运送到不同的地方。
- Transform 反馈在这里发生。
- 原图形裁剪，透视分割，视图变换到窗口空间。
4.原图形装配。
5.扫描转换和原图形参数插值，这将产生很多的片段。
6.一个片段Shader处理每个片段，每个片段生成多个输出。
7.基于每个采样的处理（Per-Sample_Processing）
- 裁剪测试
- 模板测试
- 深度测试
- 混合
- 逻辑处理
- 空白遮罩（Write Mask，暂时不懂，看明白之后改成更合适的翻译）
顶点规范化
顶点规范化过程，是应用程序设置一个有序的顶点列表，并送往流水线的过程，这些顶点定义了原图形的边界。
原图形是基础绘制形状，比如三角形，线和点。明确的告诉你，在后面的步骤中，顶点数据作为原图形，应该如何被解读（译注：如哪几位是顶点，哪几位是颜色，哪几位是法线，哪几位是纹理坐标）
这部分的流水线，处理一些对象，如VAO（Vertex Array Object 顶点数组对象）和VBP（Vertex Buffer Ojbect 顶点缓冲对象），VAO定义了，顶点都有哪些数据，而VBO则存放实际的数据。
一个顶点数据，由一组属性组成，每个属性是一个下个步骤将要依赖之计算的小数据集。 而一组属性，确定了一个顶点，这并不是说，一个顶点的属性，一定是位置或者法线什么的，顶点数据可以是任意的东西（译注：比如我读硕士时尝试用顶点数据做并行计算，虽然最后选择了新兴的CUDA技术）在顶点处理阶段，会给每个顶点的每个分量分配唯一的含义。
顶点渲染
一旦顶点数据被适当的指定，他将通过绘图指令，作为原图形进行渲染。
顶点处理
在上一个阶段获得的顶点，将在这个阶段进行他们的处理。顶点处理阶段，几乎都是可编程处理操作。这将允许用户编码去自定义顶点如何被处理。每个阶段对应一个不同的Shader操作。有些步骤是可选的。
顶点shader
顶点Shader针对每个独立的顶点进行基础处理，顶点Shader，顶点Shader从顶点渲染接受输入属性，并基于用户定义的程序，将每个输入的顶点，转换为一一对应输出顶点。
顶点Shader可以使用用户自定义的输出，但是也有一个特殊的输出，代表顶点的最终位置（译注：这句应该指的是gl_Position），如果没有随后的顶点处理步骤，顶点Shader预期将会将这位置信息，填充为裁剪空间的顶点位置。以备后用。
一个限制是，在顶点处理过程中，因为各个顶点shader之间的调用，不可共享状态，任何一个输入属性必须被映射到唯一一个顶点输出中。如果你填充了完全相同的属性，到相同的顶点Shader中的相同原图形中，那么你将会获得相同的输出顶点数据。这给予驱动的实现，去优化顶点处理过程，如果他们可以检测到，他们将要去处理一个已经被处理过的顶点，他们可以使用之前存放在post-transform缓存中的数据，而不需要去再次运行顶点处理程序重复处理那条数据。（暂时没理解透彻，先放放，以后回来填坑）
顶点Shader不是可选的，是必须的。
Tessellation
元图形，可以使用两个Shader步骤去填充，期间还可以夹杂一个固定函数Tessllator。填充控制Shader先执行（ Tessellation Control Shader (TCS) ）然后他决定，多少填充被应用于一个原图形，与此同时保证邻接填充原图形之前的连接性。填充评估Shader（ Tessellation Evaluation Shader (TES)）最后执行，并且 他将应用插值或其他操作，用于计算用户自定义数据的值，到fixed-function tessellation 过程产生的元图形上。
填充过程是可选的，如果TES打开，则认为填充是激活的。TCS也是可选的，TSC不可以独立存在必须和TES一起使用。
几何 Shader
几何shader是用户自定义的程序，处理每个输入原图形，并产生0-n个输出原图形。几何Shader的输入原图形，是一些原图形装配过程中产生的输出原图形的子集。所以如果你发送一个三角形Strip，几何Shader会把他们视为一系列的三角形。
尽管如此，有很多输入原图形的类别，专为几何Shader定制。这些邻接原图形，给予GS更大的视野，他们提供了访问邻接当前原图形的原图形的顶点的权限。
GS的输出可能是0或多个简单原图形，更像是原图形装配集的输出。GS能够删除原图形，或者通过从一个输出衍生出更多的输出原图形来填充他们。GS也可以修补顶点数据，或者为顶点Shader做些事情，或者在填充时做些插值，几何Shader甚至可以将原图形转换为其他类别，输入一个点，可以变成一条线，一个三角形，甚至很多点。
几何Shader也是可选的。
顶点后期处理
经过基于Shader的（可编程的）顶点处理之后，顶点会执行一系列的固定管线函数处理。
Transform 反馈
几何Shader或元数据装配的输出，将会被为了这个目的（Transform Feedback），写入到一系列的缓冲对象中去。这个过程也被称形变反馈模式。它允许用户通过几何Shader变换顶点，并且保存他们以备用户后用。数据输出到Transform feedback缓冲，是由每个原图形，在这个步骤反射的数据。
裁切
原图形随后被裁切，裁切意味着，在边界上的原图形，将会被分离成几部分原图形，这样所有的全图型，都将保证在视空间之内。同时，最后的顶点处理Shader也可以执行用户自定义操作，在每个顶点之上。
顶点位置在透视分割和视图转换时，被转换到裁切空间。
原图形装配
原图形装配，从前面的步骤中收集顶点数据，并组装成一序列原图形。用户渲染的原图形类别决定这个步骤如何工作。这个步骤的输出是一序列有序的原图形（线，点，三角形）如果输入是一个三角形Strip包含12个顶点，那么输出将是10个三角形。（译注：用三角形链，将三角形传入GPU，会节省传输数据量，但是，GPU似乎并不认这个，所以需要Primitive Assembly）
如果Tessellation或者几何Shader是激活的，那么一个受限制的形式的元数据装备，会在顶点处理步骤之前执行。这将保证这些Shader被填充的是独立的原图形，而不是一序列的顶点。
渲染流水线也可以在这个步骤中被中止，这可以使得Tranform Feedback得以运作（译注：有些时候你不是为了渲染，而是为了计算。）而不需要实质的渲染些什么。
面剔除
三角形元数据可以被剔除，这基于三角形面在窗口空间的朝向。他允许你不渲染背对观察者的三角形。这些三角形会被离观察者近的面挡住，所以你永远没有必要去渲染他们。面剔除就是一个避免渲染这些玩意的过程。
光栅化
如果原图形能活到这一步（而没被用户终止或者崩溃掉：-），他们将会被按照他们（来送人头儿：-）的顺序光栅化。光栅化的结果是一序列的片段数据。
一个片段是在输出的帧缓冲中的一组状态，它用来计算一个像素的最终数据（或者是一个样本，如果多重采样被激活的话）。一个片段的状态，通常包括，屏幕空间的位置，采样覆盖（如果多重采样被激活），以及一系列从上一个顶点或者几何Shader发过来的任意数据。 这个过程可以选择性的进行多重采样。
片段处理过程
光栅化过程中产生的片段数据，将由片段Shader进行处理。片段Shader的输出是为每个颜色Buffer写入的颜色列表，一个深度值和一个模板值。片段程序无法为片段设置模板值，但是可以控制颜色和深度值。
片段Shader也是可选的。如果你不使用片段Shader，深度（和模板）值，将是他们的通常值。但是所有片段的颜色值是未定义的。不使用片段Shader进行渲染，在我们只想将一个原图形的深度信息写入到深度缓冲的时候，会显得非常有用，比如在做 遮挡查询（Occlusion Query ）测试的时候。
每采样操作
片段处理器输出的片段数据，接下来将会通过以下步骤的处理。
第一个步骤是一系列的剔除测试。如果测试是激活的，并且片段没有通过测试。对应的像素或采样将不会被更新（同常不会）（也就是说，片段被抛弃了：-）。很多这类测试，只有用户手动激活才会生效。这些测试为：
- 像素所有权测试：如果像素的所有权，不是由OpenGL拥有，则测试失败（比如其他窗体，覆盖了GL窗口，那么没必要渲染他了。）但是如果你使用一个帧缓冲对象，则测试必然通过。失败意味着那个像素将持有未定义的值。
- 剪刀测试（Scissor Test）如果被激活，当片段的像素位于指定的屏幕的矩形区域之外的时候，测试将会失败
- 模板测试（Stencil Test）如果被激活，如果测试提供的模板值，与用户指定的模板缓冲中的值无法匹配，那么测试将会失败。 注意：即时测试失败，帧缓冲中的模板值仍旧有可能会被改变（就算深度测试失败，也是一样）。
- 深度测试（Depth Test） 如果被激活，当片段的深度值，与用户指定的深度缓冲中的深度值，不匹配，那么测试将会失败。
注意： 尽管规定这些事情发生在片段Shader之后，在某些特定情况下，也可以强制他们发生在片段Shader之前。如果他们发生在FS之前，那么被裁减掉的像素也会防止片段Shader执行，这可以节省效率。
在这之后，颜色混合（ color blending ）发生了，对于每一个片段颜色值，在已经在FrameBuffer中的颜色值，和当前颜色值之间，有一个特殊的混合操作 。逻辑操作（ Logical Operations ）也会发生在混合的地方，他可以在片段颜色和颜色缓冲中的颜色之间实施一个按位操作。
最后，片段数据被写入到缓冲之中。遮罩操作（ Masking operations）允许用户组织指定的片段颜色的写入。颜色，深度，模板遮罩可以开启或关闭，独立颜色的通道，也可以被单独遮罩。