OpenGL ES 3.0 简介

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OpenGL ES 3.0学习汇总

• OpenGL ES 3.0 学习记录汇总

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简介

• OpenGL ES (OpenGL for Emberdded Systems)是以 手持 和 嵌入式设备 为目标的高级3D图形应用编程接口（API）。

• Android 4.3 + 和 iPhone 5s + 已经支持OpenGL ES 3.0。

• OpenGL ES 3.0 向后兼容 OpenGL ES 2.0。

• OpenGL ES 3.0 是从 OpenGL 3.3规范 衍生而来。

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OpenGL ES 3.0 图形管线

OpenGL ES 3.0实现了具有 可编程着色功能 的图形管线，由 OpenGL ES 3.0 API 和 OpenGL ES 着色语言3.0规范 组成。
下图中深色背景的 顶点着色器 和 片段着色器 为可编程阶段。

OpenGL ES 3.0 图形管线

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顶点着色器

顶点着色器 实现了顶点操作的通用可编程方法。

顶点着色器的输入包括：

• 着色器程序一一描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码或者可执行文件。
• 顶点着色器输人(或者属性)一一用顶点数组提供的每个顶点的数据。
• 统一变量(uniform)一一顶点(或者片段)着色器使用的不变数据。
• 采样器一一代表顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型。

下图是顶点着色器的输入输出模型。

OpenGL ES 3.0 顶点着色器 输入输出模型

顶点着色器取得一个位置及相关的颜色数据作为输入属性，用一个 4x4矩阵变换位置，并输出变换后的位置和颜色。

以下为顶点着色器示例：

#version 300 es   //提供着色语言的版本 必须出现在第一行
uniform mat4 u_mvpMatrix; # 统一变量 储存组合的模型视图和投影矩阵

in vec4 a_postion; # 顶点着色器输入的位置属性
in vec4 a_color;  # 顶点着色器输入的颜色属性

out vec4 v_color; # 顶点着色器输出的颜色属性
void main(){
  v_color = a_color; # 读取输入属性并写入输出属性上
  # 内建变量gl_Position 是自动声明的
  gl_Position = u_mvpMatrix * a_postion； # 变换后的位置写入gl_Positon输出
}

mat4 : 基本类型， 4 * 4浮点矩阵
vec4 : 基本类型，4分量浮点向量
uniform : 储存限定符，在图元处理中值不改变，统一变量组成了着色器、OpenGL ES 和 应用程序的链接。
in : 参数限定符，用于传入函数的函数参数
out : 参数限定符，用于传出函数，但是传入时没有初始化的参数

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图元装配

OpenGL ES 3.0 图形管线，在 顶点着色器 之后就是 图元装配 了。
图元是 三角形、直线 或者 点精灵 等几何对象。
图元的每个顶点被发送到顶点着色器的不同拷贝，在图元装配期间，这些顶点被组合成图元。

对于每个图元，会抛弃图元不在 视锥体(屏幕可见的区域)内的部分，在视锥体内的区域的部分经过裁剪之后，将顶点位置转换为屏幕坐标。然后传递到管线的下一阶段 —— 光栅化阶段。

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光栅化

光栅化阶段 会绘制对应的 图元。
光栅化 是将 图元 转化为 二维片段 的过程，然后这些片段再由 片段着色器 处理。这些二维片段代表可在屏幕上绘制的像素。

下图为光栅化流程:

光栅化流程

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片段着色器

为 片段上的操作 实现了通用的可编程方法。

采用 如下输入 对每个光栅化阶段的片段执行这个着色器。

• 着色器程序——描述片段上所执行操作的片段着色器程序源代码或者可执行文件。
• 输入变量——光栅化单元用插值为每个片段生成的顶点着色器输出。
• 统一变量——片段（或者顶点）着色器使用的不变数据。
• 采样器——代表片段着色器所用纹理的特殊统一变量类型。

OpenGL ES 3.0 片段着色器

片段着色器可以抛弃片段，也可以生成一个或多个颜色值作为输出。
片段着色器一般只输出一个颜色值，在 渲染多重目标 的时候会为每一个渲染目标输出一个颜色值。
光栅化阶段 生成的 颜色、 深度、 模板 和 屏幕坐标位置（X_w,Y_w） 变成 OpenGL ES 3.0管线 逐片段操作 阶段的输入。

片段着色器示例：

#version 300 es  //提供着色语言的版本 
precision mediump float;  # 默认的精度限定符

in vec4 v_color; # 片段着色器的输入，即顶点着色器的输出
 
out vec4 fragColor; # 片段着色器的输出变量， 即传递到逐片段操作的颜色
void main()
{
   fragColor = v_color; # 输出颜色设置为输入颜色  片段着色器的输入在图元之间进行线性插值 然后传递给片段着色器
}

precision precision-qualifier type;
precision : 可以用来确定默认精度修饰符, type可以是int或float或采样器类型，precision-qualifier可以是lowp, mediump, 或者highp。任何其他类型和修饰符都会引起错误。包括全局变量声明，函数返回值声明，函数参数声明，和本地变量声明等。没有声明精度修饰符的变量将使用和它最近的precision语句中的精度。

highp: 精度和精度限定符，满足顶点语言的最低需求。
lowp: 精度和精度限定符，范围和精度低于mediump,但是任然能够表现所有颜色通道的所有颜色值。
mediump : 精度和精度限定符，范围和精度介于 highp和lowp之间。

FP = 浮点

	FP范围	FP幅值范围	FP精度	整数范围 有符号	整数范围 无符号
highp	（2-126，2127）	0.0, (2-126,2127)	2-24	（2-31，231-1）	（0，232-1）
mediump	（2-14，214）	(2-14,214)	2-10	（2-15，215-1）	（0，216-1）
lowp	（-2，2）	(2-8,2)	2-8	（2-7，27-1）	（0，28-1）

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逐片段操作

光栅化阶段生成的屏幕坐标为（X_w,Y_w）的片段只能修改 帧缓冲区 中位置为（X_w,Y_w）的像素。
下图描述了OpenGL ES 3.0 逐片段操作阶段。

OpenGL ES 3.0 逐片段操作阶段

• 像素归属测试——确定帧缓区中的位置（X_w,Y_w）的像素是不是归OpenGL ES 所有。被遮挡的像素则不属于OpenGL ES 的上下文，从而不显示这些像素。此过程在OpenGL ES 内部处理，不由开发人员控制。
• 剪裁测试—— 确定（X_w,Y_w）是否位于OpenGL ES 状态的一部分的裁剪矩形范围内，抛弃范围之外的片段。
• 模板测试、深度测试—— 这些测试在输入片段的 模板 和 深度值 上进行 ，以确定片段是都该被拒绝。
• 混合——将新生成的颜色和保存在帧缓冲区（X_w,Y_w）位置的颜色值组合起来。
• 抖动——用于最小化 因为使用有限精度在帧缓冲区中保存颜色值而产生的伪像。

在逐片段操作阶段的最后，片段 被拒绝 或者 在帧缓冲区（X_w,Y_w）位置写入片段的颜色、深度或者模板值。
写入片段的颜色、深度或者模板值 取决于 启用的相应写入掩码。写入掩码可以更精细的控制写入的值。例如，可以设置颜色缓冲区的写入掩码 使得 任何红色值都不被写入到颜色缓冲区。

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