OpenGL中的原语组装和光栅化

转自：http://blog.csdn.net/myarrow/article/details/7747733

 

一、什么是原语？

       原语就是可以用glDrawArrays和glDrawElements来进行画图的几何对象。原语由一系列顶点来描述，每个顶点包含位置、颜色、法线和纹理坐标。

       原语包括：点、线、三角行。

二、原语类型

1. 三角形原语类型

      1）GL_TRIANGLES：三角形顶点互不重用，如顶点{V0，V1，V2，V3，V4，V5}，则描述了2个三角形，三角形顶点分别为：(V0，V1，V2)和(V3，V4，V5)。

      2）GL_TRIANGLE_STRIP：三角形顶点被重用，画一系列连接的三角形，三角形的最后2个顶点为下一个三角形的前面2个顶点。如顶点{V0，V1，V2，V3，V4}，则描述了3个三角形，三角形顶点分别为：(V0，V1，V2)，(V2，V1，V3)<注意此顺序，应该为逆时针方向> 和 (V2，V3，V4)。

      3）GL_TRIANGLE_FAN：三角形顶点被重用，画一系列连接的三角形，前面三角形的第1和3个顶点，为后面三角形的第1和2个顶点。如顶点{V0，V1，V2，V3，V4}，则描述了3个三角形，三角形顶点分别为：(V0，V1，V2)， (V0，V2，V3)和(V0，V3，V4)。

2. 线原语类型

      1）GL_LINES：线的顶点互不重用。如顶点{V0，V1，V2，V3，V4，V5}，则描述了3条线，线顶点分别为：(V0，V1)，(V2，V3)和 (V4，V5)。

      2）GL_LINE_STRIP：线的顶点被重用，前面线的最后一个顶点为下一条线的第一个顶点。如顶点{V0，V1，V2，V3}，则描述了3条线，线顶点分别为：(V0，V1)，(V1，V2)和 (V2，V3)。

      3）GL_LINE_LOOP：线的顶点被重用，与GL_LINE_STRIP类似，只是最后一条线的最后一个顶点与第一条线的第一个顶点相连。如顶点{V0，V1，V2，V3，V4}，则描述了5条线，线顶点分别为：(V0，V1)， (V1，V2)， (V2，V3)， (V3，V4)和 (V4，V0)。

      线的宽度可以通过函数“void glLineWidth(GLfloat width)”来设置。

3. 顶点原语

       GL_POINTS：对每个顶点进行画图。

       注：窗口坐标（0，0）位于窗口左下角。而点的坐标（0，0）位于窗口左上角。

       gl_PointSize是Vertex Shader中的一个内嵌变量，gl_PointCoord是Fragment Shader中的一个内嵌变量，其值取值范围为：[0.0，1.0]，并且从左到右或从上到下地增加。

三、画图原语

       OpenGL ES 2.0有以下两个画图原语：

       1）glDrawArrays

       2）glDrawElements.

1. glDrawArrays

     void glDrawArrays(GLenum mode, GLint first, GLsizei count)
     • mode：指定要画的原语类型，有效值如下：
                GL_POINTS
                GL_LINES
                GL_LINE_STRIP
                GL_LINE_LOOP
                GL_TRIANGLES
                GL_TRIANGLE_STRIP
                GL_TRIANGLE_FAN

     • first：起始顶点在enabled vertex arrays中的索引

     • count：将被用于画图的顶点个数

     举例：glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6)画了两个三角形，顶点的顶点数组索引分别为：(0, 1, 2)和(3, 4, 5)。

2. glDrawElements

    void glDrawElements(GLenum mode, GLsizei count,GLenum type, const GLvoid *indices)
    • mode：指定要画的原语类型，有效值如下：
                GL_POINTS
                GL_LINES
                GL_LINE_STRIP
                GL_LINE_LOOP
                GL_TRIANGLES
                GL_TRIANGLE_STRIP
                GL_TRIANGLE_FAN

    • count：指示在*indices中的顶点索引个数

       • type：指示在*indices中元素数据类型，有效值如下：

                GL_UNSIGNED_BYTE
                GL_UNSIGNED_SHORT
                GL_UNSIGNED_INT（可选，只有OES_element_index_uint扩展被实现时，才可使用）

    • indices：存储顶点索引的数组或指针

3. glDrawArrays &glDrawElements各自用武之地

        如果Enbaled Vertex Array中的顶点不被多个原语所共享，则使用glDrawArrays较高效，因为省去了顶点索引数组；否则使用glDrawElements高效，因为同一个顶点在Enabled Vertex Array中只有一份数据，不存在多个数据copy，节省了内存空间。

        举例如下（画一个立方体）：

1） 使用glDrawArrays的代码如下：

#define VERTEX_POS_INDX 0
#define NUM_FACES 6
GLfloat vertices[] = { … }; // (x, y, z) per vertex
glEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);
glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,0, vertices);
for (i=0; i<NUM_FACES; i++)
{
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, first, 4);
    first += 4;
}

//or glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

注：总共8个顶点，却保存了24个顶点或36个顶点的数据。

2）使用glDrawElements的代码如下：

#define VERTEX_POS_INDX 0
GLfloat vertices[] = { … };// (x, y, z) per vertex
GLubyte indices[36] = { 0, 1, 2, 0, 2, 3,
                        0, 3, 4, 0, 4, 5,
                        0, 5, 6, 0, 6, 1,
                        7, 6, 1, 7, 1, 2,
                        7, 4, 5, 7, 5, 6,
                        7, 2, 3, 7, 3, 4 };
glEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);
glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,0, vertices);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(indices)/sizeof(GLubyte),GL_UNSIGNED_BYTE, indices);

4. 总结

       只要有顶点重用，使用glDrawElements 的性能比glDrawArrays要好，因为不仅CPU与GPU之间传递数据的内存带宽更小，且在GPU中占用的内存也更少。

四、原语组装（Primitive Assembly）

       OpenGL ES 2.0原语组装阶段如下图所示：

1. 坐标系统

2. 裁剪体(clip volume)

    裁剪体由近、远、左、右、上、下共6个裁剪面组成。如下图所示：

      在clipping阶段，每个原语都被裁剪体进行裁剪。并对每种原语执行如下操作来进行裁剪：

      1）Clipping triangles

            • 如果全部在裁剪体内，什么都不做

            • 如果全部不在裁剪体内，则丢弃

            • 如果部分在裁剪体内，则产生新的顶点并形成三角形FAN

      2）Clipping lines 

            • 如果全部在裁剪体内，什么都不做

            • 如果全部不在裁剪体内，则丢弃

            • 如果部分在裁剪体内，则产生新的顶点并形成新的LINE

      3）Clipping point sprites

            • 如果全部在裁剪体内，什么都不做

            • 如果全部不在裁剪体内，则丢弃

3. 透视除法（PerspectiveDivision） 

        它的目标是把裁剪坐标变为归一化设备坐标，其取值范围为：[-1，1]。其实现方法为把坐标的每个分量除以Wc。裁剪坐标(Xc,Yc,Zc,Wc) 经过透视除法(Xc/Wc)，(Yc/Wc)，(Zc/Wc)则变成了归一化设备坐标(Xd，Yd，Zd)。

4. 视口变换（Viewport Transformation）

        它把归一化设备坐标(Xd，Yd，Zd)变换为窗口坐标或屏幕坐标(Xw，Yw，Zw)。

1）视口变换视口通过以下API设置：

        void glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei w, GLsizei h)
        • x, y：指明视口左下角屏幕坐标（以像素为单位）

        • w, h：指明视口的宽度和高度（以像素为单位）     

2）视口变换深度通过以下API设置：    

        void glDepthRange(GLclampf n, GLclampf f)
        • n, f：指明要求的深度范围。默认值：n=0.0，f=1.0，值的范围为[0.0，1.0]。         

3）视口变换方法为：

      Ox = (x + w)/2，Oy = (y + h)/2，n 和 f 表示要求的深度范围。

  
五、光栅化（Rasterization）

        光栅化获取每个原语（如：点、线、三角形），然后为这个原语产生合适的Fragment。一个Fragment表示在屏幕空间中的一个像素位置(x，y)，且fragment数据将被Fragment Shader处理以产生一个Fragment Color。

 六、选择（Culling）

        在三角形被光栅化之前，我需要确定哪些面对观察者，哪些面背对观察者。Culling操作丢弃哪些背对观察者的面，从而光栅化这些看不见的三角形，从而节约了GPU的时间，并提高了GPU的性能。相关函数如下：   

        1）void glFrontFace(GLenum dir)
        • dir：指示面对观察者的三角形的方向（GL_CW<顺时针>或GL_CCW<逆时针>)，默认值为：GL_CCW。

                  CW: Clockwise，CCW：Counter-Clockwise

        2）void glCullFace(GLenum mode)

        • mode：指示三角形的哪个面被选择（GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK），默认值是GL_BACK。

 

        3）void glEnable(GLenum cap)
              void glDisable(GLenum cap)
        • cap：设置为GL_CULL_FACE，初始时，Culling被disabled掉了。