OpenGL的渲染流程梳理

渲染可以拆分为多个步骤（stage），拆分之后，就可以使用管道（pipeline）来优化执行效率。打个比方，过安检的时候，至少有三个步骤，把包放在传送带上，然后走过去，取回传送带上的包。在排队过安检的过程中，排在后面的旅客并不需要等前面的旅客完成，只要前面的旅客把包放上传送带（完成第一个步骤），后面的旅客就可以接着把包放在传送带，这就是管道原理。

Step1 准备顶点数据（vertex specification）。对于现在使用硬件加速的渲染技术，这个步骤是在CPU上完成的。如果要渲染一个三角形，这一步需要几个信息：三个点的位置和顶点颜色、以及绘制对象：“三角形”。

以下这段代码是个人随手而写，并非真的OpenGL代码，只是用来描述Step1。

var glState = OpenGLState.getInstance();
var arrbuf = new ArrayBuffer();//new a array buffer to store the data
//vertex position
arrbuf.push({0, 1});
arrbuf.push({-0.5, 0});
arrbuf.push({0.5, 1});
//vertex color
arrbuf.push({255, 0, 0});
arrbuf.push({0, 255, 0});
arrbuf.push({0, 0, 255});
var vertextArr = new VertexArray(arrbuf);
vertextArr.setAttr1(0, 2);//attr1 for position
vertextArr.setAttr1(3, 5);//attr2 for color
glState.vertextArr = vertextArr;
var vertextShader = new Shader("your vertex shader code");
glState.vertextShader = vertextShader;
var fragShader = new Shader("your fragShader");
glState.fragShader = fragShader;
// other operation to configure glState
glState.run();// the run call will trigger the gl render stages blow

Step2 处理顶点（vertex processing），根据每个顶点的数据（在前一步指定了），以及一些常量（uniform）（在前一步指定了），进行一次分析处理，例如，是否需要对每个顶点的位置做一次位置的变换（transform）（在3D渲染中，变换非常重要）。在可编程（programmable）的渲染管道中，顶点处理可以细分为三个可编程的步骤，第一个小步骤的指令可以vertext shader来指定，第二个小步骤叫tessellation，又可以再细化3个步骤，由2个shader加上一个内置的程序（fixed-function）来控制，第三个步骤由geometry shader来控制，第一个步骤是必须的，后两个步骤是可选的。

Step3 顶点的后续处理（vertex post-processing），上一个步骤产生的所有顶点信息，会在这里进一步处理。这个步骤是不可以编程的，所以没有相应的shader，但是可以配置。通过配置，可以实现transform feedback，前一个步骤处理完产生的数据，可以在这一步反馈回CPU。如果不需要绘制到屏幕上，这个步骤可以中断。如果不中断，则会进行裁剪（clipping），打个比方，原先的三角形，如果有个点不再可视范围内，那么这个三角形会被处理成2个三角形，增加2个在可视边界上的顶点。根据可配置的viewport提供的信息，对顶点的位置投影（projection）到一个平面（window space）上，要么做透视处理（perspective），要么做正交处理（orthographic）。

Step4 对绘制对象的整合（primitive assembly），将前面产生的顶点，根据第一个步骤指定的绘制对象信息，打包成一个个的assembly，然后交给下一个步骤处理。如果第二个步骤中需要进行tessellating，或者需要执行geometry shader，那么在vertex shader之后，也会紧接着完成一个简单的”绘制对象整合”。

Step5 进行光栅化处理（rasterization），管道里会有一个不可编程的程序称为rasterizer。所谓光栅化，就是根据顶点的位置信息，加上分辨率信息，对渲染对象所在的一个包围盒里（包含绘制对象的最小的一个像素矩阵表），凡是判断到像素格子受到影响，就会生成一个fragment信息。这个fragment信息不一定是整个像素格子。

Step6 可编程的并且可选的（optional）步骤，交由fragment shader来处理。这个步骤的结果是将颜色、深度等信息输出，也可以输出自定义信息。当涉及的多重采样（MSAA），一般情况，shader只会针对每个fragment执行一次。但如果在shader中，使用了gl_SampleID，则shader会针对每个采样执行一次。

Step7 对fragment shader的输出进行最后的处理（per-sample processing）。这一步会判断fragment shader的输出是否有效，如果无效则忽略，最后会将最终的颜色写入framebuffer，或者跟framebuffer相应位置的颜色进行混合（blend）。其中，判断输出是否有效那些子步骤，在新的OpenGL版本中，可以提前到fragment shader处理之前，这种情况的输入是来自rasterizer。

参考

[1] Rendering Pipeline Overview