游戏开发-图形渲染与动画-计算机图形学（OpenGL_DirectX）_着色器编程(GLSL-HLSL).docxVIP

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计算机图形学基础

1图形管线简介

图形管线(GraphicPipeline)是计算机图形学中处理图形数据的一系列步骤，从原始的几何数据到最终的像素颜色，整个过程被划分为多个阶段，每个阶段负责不同的图形处理任务。图形管线的主要阶段包括：

应用阶段：在这一阶段，应用程序通过API（如OpenGL或DirectX）提交几何数据和渲染指令。

顶点着色：顶点着色器(VertexShader)接收顶点数据，进行坐标变换、光照计算等操作。

光栅化：将3D几何数据转换为2D像素，准备进行像素着色。

像素着色：像素着色器(PixelShader)为每个像素计算最终颜色。

混合与深度测试：处理像素之间的混合，以及进行深度测试以确定哪些像素应该被绘制。

2顶点与像素处理

2.1顶点着色

顶点着色器(VertexShader)是图形管线中的一个重要环节，它负责处理顶点数据，进行坐标变换、光照计算等。下面是一个使用OpenGL的GLSL(GLShadingLanguage)编写的顶点着色器示例：

//GLSL顶点着色器示例

#version330core

layout(location=0)invec3aPos;//输入顶点位置

layout(location=1)invec3aColor;//输入顶点颜色

outvec3ourColor;//输出颜色到片段着色器

voidmain()

{

gl_Position=vec4(aPos.x,aPos.y,aPos.z,1.0);//设置顶点位置

ourColor=aColor;//将顶点颜色传递给片段着色器

}

在这个示例中，aPos和aColor是顶点着色器的输入，分别代表顶点的位置和颜色。gl_Position是OpenGL的内置变量，用于设置顶点的最终位置。ourColor是顶点着色器输出的颜色，它将被传递给片段着色器进行进一步处理。

2.2像素着色

像素着色器(PixelShader)或片段着色器(FragmentShader)负责为每个像素计算最终颜色。下面是一个使用OpenGL的GLSL编写的片段着色器示例：

//GLSL片段着色器示例

#version330core

invec3ourColor;//接收从顶点着色器传递的颜色

outvec4FragColor;//输出最终颜色

voidmain()

{

FragColor=vec4(ourColor,1.0);//设置最终颜色

}

在这个示例中，ourColor是从顶点着色器传递过来的颜色，FragColor是片段着色器的输出，代表每个像素的最终颜色。

3OpenGL与DirectX对比

OpenGL和DirectX是两种广泛使用的图形API，它们在图形管线的实现上有一些关键的区别：

平台兼容性：OpenGL在跨平台兼容性上更胜一筹，它可以在多种操作系统上运行，包括Windows、Linux和macOS。而DirectX主要针对Windows平台，尽管也有针对Xbox等其他平台的版本。

API设计：OpenGL采用更接近C语言的函数调用风格，而DirectX则更接近C++，提供了更多的封装和面向对象的特性。

着色器语言：OpenGL使用GLSL，而DirectX使用HLSL(高级着色语言)。尽管它们在功能上相似，但语法和细节上存在差异。

例如，下面是一个使用DirectX的HLSL编写的顶点着色器示例：

//HLSL顶点着色器示例

cbuffercbPerObject:register(b0)

{

float4x4worldViewProj;

};

structVS_INPUT

{

float3pos:POSITION;

float4color:COLOR;

};

structVS_OUTPUT

{

float4pos:SV_POSITION;

float4color:COLOR;

};

VS_OUTPUTmain(VS_INPUTinput)

{

VS_OUTPUToutput;

output.pos=mul(float4(input.pos,1.0),worldViewProj);

output.color=input.color;

returnoutput;

}

在这个示例中，cbPerObject是一个常量缓冲区，用于存储变换矩阵。VS_INPUT和VS_OUTPUT是结构体，分别用于定义顶