参考资料：LearnOpenGL中文翻译

渲染管线（Graphics Pipeline）

在OpenGL中，任何事物都在3D空间中，而屏幕和窗口却是2D像素数组，这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应你屏幕的2D像素。3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线（Graphics Pipeline，大多译为管线，实际上指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程）管理的。图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。这个教程里，我们会简单地讨论一下图形渲染管线，以及如何利用它创建一些漂亮的像素。

tips：2D坐标和像素也是不同的，2D坐标精确表示一个点在2D空间中的位置，而2D像素是这个点的近似值，2D像素受到你的屏幕/窗口分辨率的限制。

图形渲染管线接受一组3D坐标，然后把它们转变为你屏幕上的有色2D像素输出。

图形渲染管线可以被划分为几个阶段，每个阶段将会把前一个阶段的输出作为输入。所有这些阶段都是高度专门化的（它们都有一个特定的函数），并且很容易并行执行。正是由于它们具有并行执行的特性，当今大多数显卡都有成千上万的小处理核心，它们在GPU上为每一个（渲染管线）阶段运行各自的小程序，从而在图形渲染管线中快速处理你的数据。这些小程序叫做着色器(Shader)。

我们以数组的形式传递3个3D坐标作为图形渲染管线的输入，用来表示一个三角形，这个数组叫做顶点数据(Vertex Data)；顶点数据是一系列顶点的集合。一个顶点(Vertex)是一个3D坐标的数据的集合。

说明：为了让OpenGL知道我们的坐标和颜色值构成的到底是什么，OpenGL需要你去指定这些数据所表示的渲染类型。我们是希望把这些数据渲染成一系列的点？一系列的三角形？还是仅仅是一个长长的线？做出的这些提示叫做图元(Primitive)，任何一个绘制指令的调用都将把图元传递给OpenGL。这是其中的几个：GL_POINTS、GL_TRIANGLES、GL_LINE_STRIP。

图形渲染管线的第一个部分是顶点着色器(Vertex Shader)

输入：单独的顶点

作用：把3D坐标转为另一种3D坐标，同时我们可以对顶点属性进行一些基本处理。

图元装配(Primitive Assembly)阶段

输入：顶点着色器输出的所有顶点（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点）

作用：将所有的点装配成指定图元的形状；本节例子中是一个三角形。

几何着色器(Geometry Shader)

输入：图元形式的一系列顶点的集合

作用：通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。

光栅化阶段：

输入：几何着色器的输出

作用：把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成供片段着色器(Fragment Shader)使用的片段(Fragment)，并执行裁切(Clipping)——裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素，用来提升执行效率。

片段着色器

输入：光栅化阶段结束时输出的片段（Fragment）

作用：计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。

Alpha测试和混合(Blending)阶段

输入：对应颜色值确定后的对象

作用：检测片段的对应的深度值，用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。

在现代OpenGL中，我们必须定义至少一个顶点着色器和一个片段着色器（因为GPU中没有默认的顶点/片段着色器）。

编码实现

顶点数据

OpenGL不是简单地把所有的3D坐标变换为屏幕上的2D像素；OpenGL仅当3D坐标在3个轴（x、y和z）上都为-1.0到1.0的范围内时才处理它。所有在所谓的标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates)范围内的坐标才会最终呈现在屏幕上（在这个范围以外的坐标都不会显示）。

由于我们希望渲染一个三角形，我们一共要指定三个顶点，每个顶点都有一个3D位置。我们会将它们以标准化设备坐标的形式（OpenGL的可见区域）定义为一个GLfloat数组。

float vertices[] = {

        -0.5f, -0.5f, 0.0f,

        0.5f, -0.5f, 0.0f,

        0.0f,  0.5f, 0.0f

};

由于OpenGL是在3D空间中工作的，而我们渲染的是一个2D三角形，我们将它顶点的z坐标设置为0.0。这样子的话三角形每一点的深度(Depth，译注2)都是一样的，从而使它看上去像是2D的。

定义这样的顶点数据以后，我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的第一个处理阶段：顶点着色器。它会在GPU上创建内存用于储存我们的顶点数据，还要配置OpenGL如何解释这些内存，并且指定其如何发送给显卡。顶点着色器接着会处理我们在内存中指定数量的顶点。

我们通过顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)管理这个内存，它会在GPU内存(通常被称为显存)中储存大量顶点。

使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。

从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。

当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。

顶点缓冲对象（VBO）

顶点缓冲对象是我们在OpenGL教程中第一个出现的OpenGL对象。就像OpenGL中的其它对象一样，这个缓冲有一个独一无二的ID，所以我们可以使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO对象：

GLuint VBO;

glGenBuffers(1, &VBO);

即使其生成一个VBO对象（相当于调用了面向对象中的构造函数），并分配一个对应的id到GLunit变量中（相当于对象指针）。

OpenGL有很多缓冲对象类型，顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER。

OpenGL允许我们同时绑定多个缓冲，只要它们是不同的缓冲类型（即Context相当于是一个有多个插口的集合，绑定即相当于将相应的对象插入到插槽中）。

使用glBindBuffer函数把新创建的缓冲绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上：

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

从这一刻起，我们使用的任何（在GL_ARRAY_BUFFER目标上的）缓冲调用都会用来配置当前绑定的缓冲(VBO)。

然后我们可以调用glBufferData函数，它会把之前定义的顶点数据复制到缓冲的内存中：

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

这个过程即为我们原先所提到过的：先创建对象，然后将对象绑定到上下文对象Context中，然后再通过上下文对对象进行数据设置。

glBufferData是一个专门用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数。它的第一个参数是目标缓冲的类型：顶点缓冲对象当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上。第二个参数指定传输数据的大小(以字节为单位)；用一个简单的sizeof计算出顶点数据大小就行。第三个参数是我们希望发送的实际数据。

第四个参数指定了我们希望显卡如何管理给定的数据。它有三种形式：

GL_STATIC_DRAW ：数据不会或几乎不会改变。
GL_DYNAMIC_DRAW：数据会被改变很多。
GL_STREAM_DRAW ：数据每次绘制时都会改变。

顶点着色器

顶点着色器(Vertex Shader)是几个可编程着色器中的一个。

我们需要做的第一件事是用着色器语言GLSL(OpenGL Shading Language) (1)编写顶点着色器，然后 (2)编译这个着色器，这样我们就可以在程序中使用它了。下面你会看到一个非常基础的GLSL顶点着色器的源代码：

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 position;

void main()

{

    gl_Position = vec4(position.x, position.y, position.z, 1.0);

}

GLSL看起来很像C语言。每个着色器都起始于一个版本声明。我们同样明确表示我们会使用核心模式。

GLSL有一个向量数据类型，它包含1到4个float分量，包含的数量可以从它的后缀数字看出来。

由于每个顶点都有一个3D坐标，我们就创建一个vec3输入变量position。

通过layout (location = 0)设定了输入变量的位置值(Location)你后面会看到为什么我们会需要这个位置值。

为了设置顶点着色器的输出，我们必须把位置数据赋值给预定义的gl_Position变量，它在幕后是vec4类型的（作用是将一个3分量的向量转换为4分量的）。在main函数的最后，我们将gl_Position设置的值会成为该顶点着色器的输出。

当前这个顶点着色器可能是我们能想到的最简单的顶点着色器了，因为我们对输入数据什么都没有处理就把它传到着色器的输出了。在真实的程序里输入数据通常都不是标准化设备坐标，所以我们首先必须先把它们转换至OpenGL的可视区域内。

编译着色器

为了能够让OpenGL使用编写好的着色器程序，我们必须在运行时动态编译它的源码。

首先要做的是创建一个着色器对象，注意还是用ID来引用的，然后用glCreateShader创建这个着色器：

GLuint vertexShader;

vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);// 创建着色器对象

由于我们正在创建一个顶点着色器，传递的参数是GL_VERTEX_SHADER。

下一步我们 (1) 把这个着色器源码附加到着色器对象上，(2) 然后编译它：

glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);

glCompileShader(vertexShader);

glShaderSource函数

参数：

要附着的着色器对象
源码字符串数量，这里只有一个
顶点着色器真正的源码
先设置为NULL

片段着色器

片段着色器(Fragment Shader)是第二个也是最后一个我们打算创建的用于渲染三角形的着色器。片段着色器全是关于计算你的像素最后的颜色输出。为了让事情更简单，我们的片段着色器将会一直输出橘黄色。

#version 330 core

out vec4 color;

void main()

{

    color = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);

}

片段着色器只需要一个输出变量，这个变量是一个4分量向量，它表示的是最终的输出颜色。我们可以用out关键字声明输出变量，这里我们命名为color。下面，我们将一个alpha值为1.0(1.0代表完全不透明)的橘黄色的vec4赋值给颜色输出。

编译片段着色器的过程与顶点着色器类似，只不过我们使用GL_FRAGMENT_SHADER常量作为着色器类型：

GLuint fragmentShader;

fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER); <--注意这里的类型

glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, null); <--后面基本一样

glCompileShader(fragmentShader);

剩下的事情是把两个着色器对象链接到一个用来渲染的着色器程序(Shader Program)中。

着色器程序

着色器程序对象(Shader Program Object)是多个着色器合并之后并最终链接完成的版本。如果要使用刚才编译的着色器我们必须把 (1)它们链接为一个着色器程序对象，然后 (2)在渲染对象的时候激活这个着色器程序。 已激活着色器程序的着色器将 在我们发送渲染调用的时候被使用。

创建一个程序对象：

GLuint shaderProgram;

shaderProgram = glCreateProgram();

我们需要把之前编译的着色器附加到程序对象上，然后用glLinkProgram链接它们：

glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);

glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);

glLinkProgram(shaderProgram);

即把着色器附加到了程序上，然后用glLinkProgram链接。

得到的结果就是一个程序对象，我们可以调用glUseProgram函数，用刚创建的程序对象作为它的参数，以激活这个程序对象：

glUseProgram(shaderProgram);

把着色器对象链接到程序对象以后，记得删除着色器对象，我们不再需要它们了：

glDeleteShader(vertexShader);

glDeleteShader(fragmentShader);

链接顶点属性

顶点着色器允许我们指定任何以顶点属性为形式的输入。这使其具有很强的灵活性的同时，它还的确意味着我们必须手动指定输入数据的哪一个部分对应顶点着色器的哪一个顶点属性。所以，我们必须在渲染前指定OpenGL该如何解释顶点数据。

我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子：

位置数据被储存为32-bit（4字节）浮点值。
每个位置包含3个这样的值。
在这3个值之间没有空隙（或其他值）。这几个值在数组中紧密排列。
数据中第一个值在缓冲开始的位置。

有了这些信息我们就可以使用glVertexAttribPointer函数告诉OpenGL该如何解析顶点数据（应用到逐个顶点属性上）了：

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);

glEnableVertexAttribArray(0);

在glVertexAttribPointer函数所填入的参数：

① 指定我们要配置的顶点属性，我们在顶点着色器中使用layout(location = 0)定义了position顶点属性的位置值，它可以把顶点属性的位置值设置为0。因为我们希望把数据传递到这一个顶点属性中，所以这里我们传入0。（即相当于定点传送数据到变量中）

② 指定顶点属性的大小。顶点属性是一个vec3，它由3个值组成，所以大小是3。（vec3 aPos）

③ 指定数据的类型，这里是GL_FLOAT(GLSL中vec*都是由浮点数值组成的)。

④ 是否希望数据被标准化(Normalize)。如果我们设置为GL_TRUE，所有数据都会被映射到0（对于有符号型signed数据是-1）到1之间。我们把它设置为GL_FALSE。

⑤ 步长(Stride)，它告诉我们在连续的顶点属性组之间的间隔。由于下个组位置数据在3个GLfloat之后，我们把步长设置为3 * sizeof(GLfloat)。

⑥ 最后一个参数的类型是GLvoid*，所以需要我们进行这个奇怪的强制类型转换。它表示位置数据在缓冲中起始位置的偏移量(Offset)。由于位置数据在数组的开头，所以这里是0。

每个顶点属性从一个VBO管理的内存中获得它的数据，而具体是从哪个VBO（程序中可以有多个VBO）获取则是通过在调用glVetexAttribPointer时绑定到GL_ARRAY_BUFFER的VBO决定的。由于在调用glVetexAttribPointer之前绑定的是先前定义的VBO对象，顶点属性0现在会链接到它的顶点数据。

我们已经定义了OpenGL该如何解释顶点数据，我们现在应该使用glEnableVertexAttribArray，以顶点属性位置值作为参数，启用顶点属性；顶点属性默认是禁用的。

所有东西都已经设置好了：

使用一个顶点缓冲对象VBO，并将顶点数据初始化至缓冲中
建立了一个顶点和一个片段着色器，并告诉了OpenGL 如何把顶点数据链接到顶点着色器的顶点属性上。

在OpenGL中绘制一个物体，代码会像是这样：

// 0. 复制顶点数组到缓冲中供OpenGL使用

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

// 1. 设置顶点属性指针

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);

glEnableVertexAttribArray(0);

// 2. 当我们渲染一个物体时要使用着色器程序

glUseProgram(shaderProgram);

// 3. 绘制物体

someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();

每当我们绘制一个物体的时候都必须重复这一过程。这看起来可能不多，但是如果有超过5个顶点属性，上百个不同物体呢（这其实并不罕见）。这个过程很麻烦，因此我们希望将所有这些状态配置储存在一个对象中。

顶点数组对象

顶点数组对象(Vertex Array Object, VAO)可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单，只需要绑定不同的VAO就行了。刚刚设置的所有状态都将存储在VAO中。

即顶点数组对象会将设置顶点属性指针这一信息保存起来，我们绘制同一个物体时就不需要重复设置指针了（即喂入数据的方式）。

一个顶点数组对象会储存以下这些内容：

glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用。
通过glVertexAttribPointer设置的顶点属性配置。
通过glVertexAttribPointer调用进行的顶点缓冲对象与顶点属性链接。

创建一个VAO：

GLuint VAO;

glGenVertexArrays(1, &VAO);

要想使用VAO，要做的只是 (1)使用glBindVertexArray绑定VAO。从绑定之后起，我们应该 (2)绑定和配置对应的VBO和属性指针，(3)之后解绑VAO供之后使用。当我们打算绘制一个物体的时候，我们只要在绘制物体前简单地把VAO绑定到希望使用的设定上就行了。这段代码应该看起来像这样：

// ..:: 初始化代码（只运行一次 (除非你的物体频繁改变)） :: ..

// 1. 绑定VAO

glBindVertexArray(VAO);

    // 2. 把顶点数组复制到缓冲中供OpenGL使用

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 3. 设置顶点属性指针

    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);

    glEnableVertexAttribArray(0);

//4. 解绑VAO

glBindVertexArray(0);

[...]

// ..:: 绘制代（游戏循环中） :: ..

// 5. 绘制物体

glUseProgram(shaderProgram);

glBindVertexArray(VAO);

someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();

glBindVertexArray(0);

一般当你打算绘制多个物体时，你 (1)首先要生成/配置所有的VAO（和必须的VBO及属性指针)，然后储存它们供后面使用。(2)当我们打算绘制物体的时候就拿出相应的VAO，绑定它，(3)绘制完物体后，再解绑VAO。

tips：glVertexAttribPointer函数已经将VAO和对应的VBO绑定到一起了，即该VAO会使用它所对应的VBO对象的数据，因此可以unbind VBO

最终绘制三角形

glUseProgram(shaderProgram);

glBindVertexArray(VAO);

glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

glBindVertexArray(0);

glDrawArrays函数的参数：

① 打算绘制的OpenGL图元的类型，我们希望绘制的是一个三角形，这里传递GL_TRIANGLES给它。

② 顶点数组的起始索引，我们这里填0。

③ 打算绘制多少个顶点，这里是3（我们只从我们的数据中渲染一个三角形，它只有3个顶点长）。

运行结果：

索引缓冲对象

在渲染顶点这一话题上我们还有最有一个需要讨论的东西——索引缓冲对象(Element Buffer Object，EBO，也叫Index Buffer Object，IBO)。要解释索引缓冲对象的工作方式最好还是举个例子：假设我们不再绘制一个三角形而是绘制一个矩形。我们可以绘制两个三角形来组成一个矩形（OpenGL主要处理三角形）。这会生成下面的顶点的集合：

GLfloat vertices[] = {

    // 第一个三角形

    0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角

    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角

    -0.5f, 0.5f, 0.0f,  // 左上角

    // 第二个三角形

    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角

    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角

    -0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角

};

可以看到，有几个顶点叠加了。我们指定了右下角和左上角两次！

一个矩形只有4个而不是6个顶点，这样就产生50%的额外开销。

更好的解决方案是只储存不同的顶点，并设定绘制这些顶点的顺序。这样子我们只要储存4个顶点就能绘制矩形了，之后只要指定绘制的顺序就行了。

很幸运，索引缓冲对象的工作方式正是这样的。和顶点缓冲对象一样，EBO也是一个缓冲，它专门储存索引，OpenGL 调用这些顶点的索引 来 决定该绘制哪个顶点。所谓的索引绘制(Indexed Drawing)正是我们问题的解决方案。首先，我们先要定义（独一无二的）顶点，和绘制出矩形所需的索引：

GLfloat vertices[] = {

    0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角

    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角

    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角

    -0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角

};

GLuint indices[] = { // 注意索引从0开始!

    0, 1, 3, // 第一个三角形

    1, 2, 3  // 第二个三角形

};

要创建索引缓冲对象：

GLuint EBO;

glGenBuffers(1, &EBO);

与VBO类似，我们先绑定EBO然后用glBufferData把索引复制到缓冲里。同样，和VBO类似，我们会把这些函数调用放在绑定和解绑函数调用之间，只不过这次我们把缓冲的类型定义为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO); // GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER类型

glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

最后一件要做的事是用glDrawElements来替换glDrawArrays函数，来指明我们从索引缓冲渲染。使用glDrawElements时，我们会使用当前绑定的索引缓冲对象中的索引进行绘制：

在渲染时：

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

glDrawElements函数参数：

① 绘制的模式

② 打算绘制顶点的个数，这里填6，也就是说我们一共需要绘制6个顶点。

③ 索引的类型，这里是GL_UNSIGNED_INT。

④ EBO中的偏移量

glDrawElements函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的EBO中获取索引。这意味着我们必须在每次要用索引渲染一个物体时绑定相应的EBO，这还是有点麻烦。不过顶点数组对象同样可以保存索引缓冲对象的绑定状态。VAO绑定时正在绑定的索引缓冲对象会被保存为VAO的元素缓冲对象。绑定VAO的同时也会自动绑定EBO。

即绑定VAO -> 自动绑定对应的EBO和VBO，希望绘制图形时只需要绑定和解绑对应的VAO即可。

详细信息：当目标是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER的时候，VAO会储存glBindBuffer的函数调用。这也意味着它也会储存解绑调用，所以确保你没有在解绑VAO之前解绑索引数组缓冲，否则它就没有这个EBO配置了。

最后的初始化和绘制代码现在看起来像这样：

// ..:: 初始化代码 :: ..

// 1. 绑定顶点数组对象

glBindVertexArray(VAO);

    // 2. 把我们的顶点数组复制到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 3. 复制我们的索引数组到一个索引缓冲中，供OpenGL使用

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);

    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

    // 3. 设定顶点属性指针

    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);

    glEnableVertexAttribArray(0);

// 4. 解绑VAO（不是EBO！）

glBindVertexArray(0);

[...]

// ..:: 绘制代码（游戏循环中） :: ..

glUseProgram(shaderProgram);

glBindVertexArray(VAO);

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0)

glBindVertexArray(0);