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OpenGL实现了通常所说的渲染流水线。这个流水线分为一系列不同的阶段,能够将应用程序提供给OpenGL的数据转化为一幅最终的渲染图。下面的图为OpenGL4.3的流水线,这个流水线从发布至今已经进化了非常多。
OpenGL在最初将我们提供的图形数据(顶点和图元)传入到一系列的shader 阶段:vertex shading,tesselation shading,然后是geometry shading,这些都在栅化之前做完。rasterizer会将在裁剪区域的所有图元生成fragments,然后对每一个生成的fragment执行fragment shader。
就如你所看到的,shaders在创建OpenGL应用程序中扮演了一个非常重要的角色。 你有权利去决定去使用哪个shader 阶段,在每个阶段中做哪些事情。并不是每一个阶段都是必须;实际上,只有vertex shaders和fragment shaders才是一定要用到的。Tessellation 和 geometry shaders只是可选项。
现在,我们对每一个阶段都做一下更加深入地了解,这样你对整体就有更好的拿捏。我知道这些东西对你来说可能有点无法理解,但现在最好是硬着头皮看一下。你最后一定会明白理解一些理论会让你在OpenGL的路上走得更远。
准备向OpenGL发送数据
OpenGL要求将所有的数据都存储在buffer对象中,所谓buffer对象就是OpenGL server维护的内存块。将数据存放在buffer中有很多种方法,但是最常用的一种是用 glBufferData()函数,在初始化buffer之前,还有一些额外的工作要做。
向OpenGL发送数据
当我们初始化好buffers之后,我们可以用OpenGL的绘制函数来绘制几何图元,比如glDrawArray().
OpenGL中的绘制通常意味着将顶点信息传送给OpenGL server。一个顶点意味着一个信息的集合,集合中有你想要的任何信息,几乎一定会包含顶点的位置信息,其他的(比如法线)将会决定像素的最终。
Vertex Shading
对于每一个需要渲染的顶点,vertex shader都会去处理和顶点相关的数据。根据在栅化之前要激活哪些shader,vertex shader可能会非常简单,可能仅仅是将数据拷贝传递到下一个阶段 - 我们常称为是 pass-through shader。对于一个很复杂的vertex shader ,用于计算顶点在屏幕中的位置(通常会用到矩阵变换),计算顶点光照等等。
一个复杂的应用程序可能会有多个vertex shader,但每次只能执行一个。
Tesselation Shading
当vertex shader将每个相关的顶点都处理过一遍之后,如果tessellation shader 阶段被激活, tessellation shader 将会继续处理这些数据,tesselation用 patchs来描述一个物体,在这个阶段可以用一些相对简单的patch图形来细分模型来提供更好的外观, Tesselation Shading 阶段可以用两个shader来处理,一个用于处理patch 数据,一个用于生成最终形状。
Geometry Shading
下一个shader阶段是geometry Shading,在这个阶段可以在栅化之前处理单个的集合图元,比如添加一些图元。这个阶段也是可选的,但是非常有用。
图元组装
前面的所有阶段都是在针对顶点的信息操作,图元组装阶段将顶点组装成一组相关联的几何图元,为后面的裁剪和栅化做准备。
裁剪
有些点会在视口(你打算渲染的窗口)的外面,所以需要将和顶点相关的图元进行一些处理,将不在视口中的图元裁剪掉,这个过程叫做裁剪,是在OpenGL中自动处理的。
栅化
裁剪之后马上要做的就是栅化,裁剪之后的图元都传递到 raseriser 中生成fragment。可以将fragment当作是“候选像素”,这些像素存储在framebuffer中。栅化之后得到的fragment还是能够改变颜色,处理这些fregments在下面两个阶段,fragment shading和 per fragment 操作。
Fragment Shading
可编程的最后一个阶段是fragment shading,在这里你可以控制fragments的颜色。在这个阶段,shader可以决定fragments的最终颜色(虽然在下一个阶段,per-fragment操作会最后一次改变颜色),fragment shaders非常地有用,在这里可以处理 texture mapping。如果一个fragment不应该被绘制,fragment shader也可以停止一个fragment的处理,这个过程称为 fragment discard。
一个很好的思考顶点shader和片段shader的不同点的方法是:vertex shading决定图元在屏幕中处于什么位置,fragment shading用前面的信息来决定fragment的颜色。
Per-Fragment Operations
这里指的是一些额外的fragment 处理,这是对每个fragment处理的最后阶段。在这里fragments的可见性由深度测试和模板测试决定。
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