第 8 讲：OpenGL 流水线与 GLSL

前七讲回答“该算什么”，这一讲回答“这些计算在 GPU 流水线里放在哪里”。现代 OpenGL 更像一台状态机加数据管线，而不是一个替你画好物体的高级场景库。

1. 一帧图像经过哪些阶段

应用程序在 CPU 上准备场景、相机、材质和命令，把顶点与索引上传到 GPU。随后：

  1. 顶点着色器逐顶点运行，最少要给出裁剪坐标。
  2. 图元装配把顶点组成点、线或三角形。
  3. 裁剪与光栅化把图元变成片元，并插值顶点输出。
  4. 片元着色器逐候选片元计算颜色等输出。
  5. 深度、模板与混合测试决定最终怎样写入 Framebuffer。

OpenGL 1.x 的固定功能流水线替用户决定很多步骤；OpenGL 2.0 引入可编程着色器，3.1 起核心模式移除旧固定功能。课件关注的是现代可编程管线。

2. 着色器怎样通信

GLSL 是类 C 语言，常见类型有 float、int、bool、vec2/3/4 和 mat2/3/4。矩阵按 OpenGL 约定存储，应用端与着色器端的行列约定必须一致。

三类变量最重要：

  • in：当前阶段的输入。
  • out：当前阶段的输出；顶点输出会在图元内部插值后送入片元阶段。
  • uniform：一次 draw call 期间对所有调用保持相同，例如 MVP、光源位置和材质参数。

顶点着色器必须写 gl_Position。片元着色器输出颜色，也可显式写深度。向量可用 xyzw 或 rgba 分量名并支持 swizzle。

3. VBO、VAO 与 EBO 分别保存什么

源补充材料把三者区分得很清楚：

  • VBO：GPU 缓冲区，真正保存位置、颜色、法线、UV 等顶点数据。
  • EBO：保存图元索引，使多个三角形可以复用同一顶点。
  • VAO：保存一组顶点属性解释方式和相关缓冲绑定；它不复制 VBO 数据。

典型初始化顺序是：

  1. 创建并绑定 VAO。
  2. 创建、绑定 VBO，用 glBufferData 上传数据。
  3. 如需索引绘制，在 VAO 绑定期间绑定 EBO。
  4. 用 glVertexAttribPointer 说明属性位置、分量数、类型、步长和偏移。
  5. 用 glEnableVertexAttribArray 启用属性。

步长是相邻两个同类顶点属性之间的字节距离，偏移是当前属性在单个顶点记录中的起点。二者混淆会让顶点数据像“随机数”。

glBufferData 的 usage 只是给驱动的使用提示：STATIC 表示很少改，DYNAMIC 表示经常改，STREAM 表示几乎每次绘制都变。

4. 着色器程序如何成为可执行对象

顶点和片元着色器分别经历：

  1. 提供源码。
  2. 编译并检查日志。
  3. 附加到 program。
  4. 链接并检查日志。
  5. 绘制前 glUseProgram。

链接后，应用必须把顶点属性 location 与 VBO 布局对应起来，并设置 uniform。可在 GLSL 中写 layout location，也可链接后按变量名查询。

5. 一次 draw call 发生了什么

应用绑定 program、VAO、纹理和其他状态，再调用 glDrawArrays 或 glDrawElements。前者按连续顶点顺序组装图元，后者按 EBO 索引取顶点。

OpenGL 是状态机：函数经常作用于“当前绑定的对象”。多物体、多纹理、多着色器切换时，忘记绑定正确的 VAO、program 或 texture，是最常见的上下文错误。调试时应把每次绘制依赖的状态列成清单，而不是只盯着 shader 源码。

6. 纹理如何进入管线

应用创建 Texture Object，上传图像并设置 wrap 与 min/mag filter；再把纹理绑定到某个 texture unit，把 sampler uniform 指向该单元。顶点着色器输出 UV，光栅化器插值后，片元着色器用 texture 采样。

纹理与几何走两条数据流：几何来自 VBO，图像来自 Texture Object，最终在片元着色器汇合。

7. Gouraud 与 Phong 放在哪

  • Gouraud：顶点着色器计算光照，输出颜色；片元阶段只接收插值颜色。
  • Phong shading：顶点着色器输出位置和法线，片元着色器逐片元计算光照。

后者计算更多，却能保留小高光。两种写法的区别正好展示了“同一算法放在不同流水线阶段”的性能与质量权衡。

把现代 OpenGL 想成三件事就够了：把数据放进 GPU、告诉 GPU 如何解释数据、用 shader 决定每个阶段怎样算。API 调用很多，底层模型并不神秘。

评论