原語組裝和光柵化

一、什麼是原語？

       原語就是可以用glDrawArrays和glDrawElements來進行畫圖的幾何對象。原語由一系列頂點來描述，每個頂點包含位置、顏色、法線和紋理座標。

       原語包括：點、線、三角行。

二、原語類型

1. 三角形原語類型

      1）GL_TRIANGLES：三角形頂點互不重用，如頂點{V0，V1，V2，V3，V4，V5}，則描述了2個三角形，三角形頂點分別為：(V0，V1，V2)和(V3，V4，V5)。

      2）GL_TRIANGLE_STRIP：三角形頂點被重用，畫一系列串連的三角形，三角形的最後2個頂點為下一個三角形的前面2個頂點。如頂點{V0，V1，V2，V3，V4}，則描述了3個三角形，三角形頂點分別為：(V0，V1，V2)，(V2，V1，V3)<注意此順序，應該為逆時針方向> 和 (V2，V3，V4)。

      3）GL_TRIANGLE_FAN：三角形頂點被重用，畫一系列串連的三角形，前面三角形的第1和3個頂點，為後面三角形的第1和2個頂點。如頂點{V0，V1，V2，V3，V4}，則描述了3個三角形，三角形頂點分別為：(V0，V1，V2)， (V0，V2，V3)和(V0，V3，V4)。

2. 線原語類型

      1）GL_LINES：線的頂點互不重用。如頂點{V0，V1，V2，V3，V4，V5}，則描述了3條線，線頂點分別為：(V0，V1)，(V2，V3)和 (V4，V5)。

      2）GL_LINE_STRIP：線的頂點被重用，前麵線的最後一個頂點為下一條線的第一個頂點。如頂點{V0，V1，V2，V3}，則描述了3條線，線頂點分別為：(V0，V1)，(V1，V2)和 (V2，V3)。

      3）GL_LINE_LOOP：線的頂點被重用，與GL_LINE_STRIP類似，只是最後一條線的最後一個頂點與第一條線的第一個頂點相連。如頂點{V0，V1，V2，V3，V4}，則描述了5條線，線頂點分別為：(V0，V1)， (V1，V2)， (V2，V3)， (V3，V4)和 (V4，V0)。

      線的寬度可以通過函數“void glLineWidth(GLfloat width)”來設定。

3. 頂點原語

       GL_POINTS：對每個頂點進行畫圖。

       註：視窗座標（0，0）位於視窗左下角。而點的座標（0，0）位於視窗左上方。

       gl_PointSize是Vertex Shader中的一個內嵌變數，gl_PointCoord是Fragment Shader中的一個內嵌變數，其值取值範圍為：[0.0，1.0]，並且從左至右或從上到下地增加。

三、畫圖原語

       OpenGL ES 2.0有以下兩個畫圖原語：

       1）glDrawArrays

       2）glDrawElements.

1. glDrawArrays

     void glDrawArrays(GLenum mode, GLint first, GLsizei count)
     • mode：指定要畫的原語類型，有效值如下：
                GL_POINTS
                GL_LINES
                GL_LINE_STRIP
                GL_LINE_LOOP
                GL_TRIANGLES
                GL_TRIANGLE_STRIP
                GL_TRIANGLE_FAN

     • first：起始頂點在enabled vertex arrays中的索引

     • count：將被用於畫圖的頂點個數

     舉例：glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6)畫了兩個三角形，頂點的頂點數組索引分別為：(0, 1, 2)和(3, 4, 5)。

2. glDrawElements

    void glDrawElements(GLenum mode, GLsizei count,GLenum type, const GLvoid *indices)
    • mode：指定要畫的原語類型，有效值如下：
                GL_POINTS
                GL_LINES
                GL_LINE_STRIP
                GL_LINE_LOOP
                GL_TRIANGLES
                GL_TRIANGLE_STRIP
                GL_TRIANGLE_FAN

    • count：指示在*indices中的頂點索引個數

       • type：指示在*indices中元素資料類型，有效值如下：

                GL_UNSIGNED_BYTE
                GL_UNSIGNED_SHORT
                GL_UNSIGNED_INT（可選，只有OES_element_index_uint擴充被實現時，才可使用）

    • indices：儲存頂點索引的數組或指標

3. glDrawArrays &glDrawElements各自用武之地

        如果Enbaled Vertex Array中的頂點不被多個原語所共用，則使用glDrawArrays較高效，因為省去了頂點索引數組；否則使用glDrawElements高效，因為同一個頂點在Enabled Vertex Array中只有一份資料，不存在多個資料copy，節省了記憶體空間。

        舉例如下（畫一個立方體）：

1） 使用glDrawArrays的代碼如下：

#define VERTEX_POS_INDX 0#define NUM_FACES 6GLfloat vertices[] = { … }; // (x, y, z) per vertexglEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,0, vertices);for (i=0; i<NUM_FACES; i++){    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, first, 4);    first += 4;}//or glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

註：總共8個頂點，卻儲存了24個頂點或36個頂點的資料。

2）使用glDrawElements的代碼如下：

#define VERTEX_POS_INDX 0GLfloat vertices[] = { … };// (x, y, z) per vertexGLubyte indices[36] = { 0, 1, 2, 0, 2, 3,                        0, 3, 4, 0, 4, 5,                        0, 5, 6, 0, 6, 1,                        7, 6, 1, 7, 1, 2,                        7, 4, 5, 7, 5, 6,                        7, 2, 3, 7, 3, 4 };glEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,0, vertices);glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(indices)/sizeof(GLubyte),GL_UNSIGNED_BYTE, indices);

4. 總結

       只要有頂點重用，使用glDrawElements 的效能比glDrawArrays要好，因為不僅CPU與GPU之間傳遞資料的記憶體頻寬更小，且在GPU中佔用的記憶體也更少。

四、原語組裝（Primitive Assembly）

       OpenGL ES 2.0原語組裝階段如所示：

1. 座標系統

2. 裁剪體(clip volume)

    裁剪體由近、遠、左、右、上、下共6個裁剪面組成。如所示：

      在clipping階段，每個原語都被裁剪體進行裁剪。並對每種原語執行如下操作來進行裁剪：

      1）Clipping triangles

            • 如果全部在裁剪體內，什麼都不做

            • 如果全部不在裁剪體內，則丟棄

            • 如果部分在裁剪體內，則產生新的頂點並形成三角形FAN

      2）Clipping lines 

            • 如果全部在裁剪體內，什麼都不做

            • 如果全部不在裁剪體內，則丟棄

            • 如果部分在裁剪體內，則產生新的頂點並形成新的LINE

      3）Clipping point sprites

            • 如果全部在裁剪體內，什麼都不做

            • 如果全部不在裁剪體內，則丟棄

3. 透視除法（PerspectiveDivision） 

        它的目標是把裁剪座標變為歸一化裝置座標，其取值範圍為：[-1，1]。其實現方法為把座標的每個分量除以Wc。裁剪座標(Xc,Yc,Zc,Wc) 經過透視除法(Xc/Wc)，(Yc/Wc)，(Zc/Wc)則變成了歸一化裝置座標(Xd，Yd，Zd)。

4. 視口變換（Viewport Transformation）

        它把歸一化裝置座標(Xd，Yd，Zd)變換為視窗座標或螢幕座標(Xw，Yw，Zw)。

1）視口變換視口通過以下API設定：

        void glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei w, GLsizei h)
        • x, y：指明視口左下角螢幕座標（以像素為單位）

        • w, h：指明視口的寬度和高度（以像素為單位）     

2）視口變換深度通過以下API設定：    

        void glDepthRange(GLclampf n, GLclampf f)
        • n, f：指明要求的深度範圍。預設值：n=0.0，f=1.0，值的範圍為[0.0，1.0]。         

3）視口變換方法為：

      Ox = (x + w)/2，Oy = (y + h)/2，n 和 f 表示要求的深度範圍。

  
五、光柵化（Rasterization）

        光柵化擷取每個原語（如：點、線、三角形），然後為這個原語產生合適的Fragment。一個Fragment表示在螢幕空間中的一個像素位置(x，y)，且fragment資料將被Fragment Shader處理以產生一個Fragment Color。

 六、選擇（Culling）

        在三角形被光柵化之前，我需要確定哪些面對觀察者，哪些面背對觀察者。Culling操作丟棄哪些背對觀察者的面，從而光柵化這些看不見的三角形，從而節約了GPU的時間，並提高了GPU的效能。相關函數如下：   

        1）void glFrontFace(GLenum dir)
        • dir：指示面對觀察者的三角形的方向（GL_CW<順時針>或GL_CCW<逆時針>)，預設值為：GL_CCW。

                  CW: Clockwise，CCW：Counter-Clockwise

        2）void glCullFace(GLenum mode)

        • mode：指示三角形的哪個面被選擇（GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK），預設值是GL_BACK。

        3）void glEnable(GLenum cap)
              void glDisable(GLenum cap)
        • cap：設定為GL_CULL_FACE，初始時，Culling被disabled掉了。