如何理解 OpenGL 中着色器、渲染管线、光栅化等概念？

在 OpenGL 中，设置好顶点数据，设置好着色器，调用 drawcall 函数，3D 图形就被绘制出来了。

那么在这背后，GPU 做了什么工作呢？其实，从输入的顶点 3D 信息，到输出每个像素点的颜色信息，中间经过了很多步操作。这些操作按照一定的顺序构成了一条图形流水线（Graphics Pipeline），或者叫渲染管线。

每个步骤的输入都依赖于前一步骤输出的结果。其中的步骤包括顶点处理（vertex processing）、图元装配（triangle assembly）、光栅化（rasterization）、片段处理（fragment processing）、测试和混合（testing and blending）几个关键步骤。

图片来源：https://graphicscompendium.com/intro/01-graphics-pipeline

在 OpenGL 2.0 版本之前，这些步骤都是功能固定的，OpenGL 用户不能对其编程，叫做固定渲染管线（Fixed Function Pipeline）。

从 OpenGL 2.0 版本开始支持可编程的渲染管线，在图形流水线的某些特定的步骤上，OpenGL 用户可以通过自己编写代码，告诉 GPU 做出不同于固定管线的效果。这些不同步骤上的代码有一个共同的名字：着色器（Shader）。

Shader 一词来源于 shading，意思是在图画上增加明暗或颜色。所以 Shader 的意思在图形学上就是计算图像颜色的程序。OpenGL 的 shader 一共包括六种：vertex shader、geometry shader、 tessellation control shader、tessellation evaluation shader、fragment shader、compute shader。

最常用的两个 shader 是 vertex shader 和 fragment shader，分别对应顶点处理阶段和片段处理阶段。其实 Shader 不仅可以用来计算图像的颜色，还可以计算其他数据，比如用于生成新几何数据的 geometry shader，用于曲面细分的 tessellation shader 和用于通用计算的 compute shader。

光栅化（Rasterization），又叫栅格化。类比于西方绘画中的一种技法，画家通过一个网格观察景物，把每个网格中人眼能够看到的影像记录在画像上。这里看到的景物是带有透视效果和前后遮挡关系的。

图片来源：http://www.brian-curtis.com/dfo\_second\_edition\_white/powerslide2.html

在图形学上，这个网格变得非常细密，即一个格子只包括一个像素。光栅化就像画家一样，确定每个 3D 图元在 2D 画面上占据了哪些像素位置。在这一阶段，同一 2D 位置上可能对应了多个 3D 图元的子区域，每个子区域叫做一个片段。

例如下图中，每个格子是一个像素，蓝色圆点是像素的中心。黑色三角形通过像素网格观察，可以看到它占据了绿色那些区域。每个绿色的格子就是这个三角形的一个片段。

图片来源：https://www.scratchapixel.com/lessons/3d-basic-rendering/rasterization-practical-implementation/rasterization-stage

参考资料：

https://www.khronos.org/opengl/wiki/Shader