OpenGL: 簡介與Shader

<圖學玩家 第010篇 原創文>

OpenGL (Open Graphics Library) 是一種開源的跨平台計算機圖形API，可以在多種操作系統和硬體平臺上運行(Windows，macOS和Linux等)。

OpenGL屬於較底層的API，它只提供了基本的3D圖形繪制功能。開發人員需要自行管理其他細節，例如：資源管理，圖形轉換和光源的計算等等。而在開發OpenGL的程式時，會搭配基於GLSL的著色器 (Shader) 程式。

Shader

那什麼是Shader呢? 要將3D圖形輸出到2D螢幕上，OpenGL有其Pipeline。該Pipeline可以分為多個步驟，每個步驟有特定的功能，並且可以並行執行。當前GPU通常都有數千個小的核心(Core)，這些核心在Pipeline的每個步驟上運行某些簡單的小程序，而這些小程序就是Shader。

OpenGL Shaders

該Pipeline的第一部分是Vertex Shader，以Vertex作為輸入。Vertex Shader負責將3D坐標進行座標轉換。

Vertex Shader的輸出則可以選擇性地傳遞到Geometry Shader。 Geometry Shader以Vertex的集合作為輸入，具有產生新Vertex以塑造新Primitive的能力。在上圖例子中，它從给定形狀生成第二個三角形。而這種將Vertex轉為Primitives的階段，也稱作Primitive Assembly Stage。

OpenGL primitives

Geometry Shader的輸出隨後傳遞到光栅化(Rasterization)階段，在该階段將所得Primitives映射到最終屏幕上相應的像素(Pixels)上，從而產生Fragment以供Fragment Shader使用。在Fragment Shader運行之前，會剪裁掉所有在視野之外的Fragment，從而提高性能。

A fragment in OpenGL is all the data required for OpenGL to render a single pixel.

Shader則是使用GLSL語言撰寫，語法跟C語言類似。通常會有以下的格式

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;
  
uniform type uniform_name;
  
void main()
{
  // process input(s) and do some weird graphics stuff
  ...
  // output processed stuff to output variable
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

下面為Vertex Shader的範例，每個三角形頂點Vertex都被賦予深紅色。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // the position variable has attribute position 0
  
out vec4 vertexColor; // specify a color output to the fragment shader

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0); // see how we directly give a vec3 to vec4's constructor
    vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0); // set the output variable to a dark-red color
}

Fragment Shader單純Output來自Vertex Shader的vertexColor:

#version 330 core
out vec4 FragColor;
  
in vec4 vertexColor; // the input variable from the vertex shader (same name and same type)  

void main()
{
    FragColor = vertexColor;
} 

由於Fragment Shader會內插Vertex顏色繪製到三角形上，因此結果如下圖紅色三角形:

雖然當前有更多熱門的計算機圖形API(如DirectX, Vulkan等等)，但對於學習Computer Graphics的基礎來說，筆者認為OpenGL仍是非常不錯的選擇。