OpenGL中的着色器是什么？我们需要它们是什么？

Question

我不是以英语为母语的人，当我试图通过www.learnopengl.com上的openGL wiki和教程时，直觉也无法理解整个概念是如何运作的。有人可以用更抽象的方式向我解释它是如何工作的吗？什么是顶点着色器和片段着色器以及我们将它们用于什么？

Answer 1

OpenGL wiki给出了一个很好的定义：

  

Shader是一个用户定义的程序，设计用于在图形处理器的某个阶段运行。

过去，显卡是不可编程的硅片，它执行一系列固定算法：点/颜色/灯进来，使用固定算法（通常沿https://en.wikipedia.org/wiki/Phong_reflection_model出现2D图像）。

但对于想要创造许多不同视觉效果的程序员来说，这太过限制了。

随着技术的进步，GPU供应商开始允许渲染管道的某些部分被编程为编程语言，如GLSL。

然后将这些语言转换为semi-undocumented instruction sets，这些语言在内置于较新GPU的小型“CPU”上运行。

直到不久前，着色器语言were not even Turing complete。

术语通用GPU（GPGPU）是指现代GPU的可编程性增强。

在OpenGL模型中，只有下图的蓝色阶段是可编程的：

Image source

着色器从前一个流水线阶段获取输入（例如顶点位置，颜色和光栅化像素），并将输出自定义到下一个阶段。

最重要的两个是：

• 顶点着色器：
  • 输入：3D空间中的点位置
  • 输出：点的2D投影（使用4D矩阵乘法）。请参阅：https://stackoverflow.com/a/36046924/895245
• 片段着色器：
  • 输入：三角形的所有像素的2D位置+（边缘颜色或纹理图像）+亮化参数
  • 输出：三角形的每个像素的颜色（如果它没有被另一个更近的三角形遮挡），通常在顶点之间插值

名称​​着色器对于当前的结构不是很具描述性：GLSL中的“着色器”也管理顶点位置，更不用说OpenGL 4.3 GL_COMPUTE_SHADER，它允许任意计算完全不相关渲染，就像OpenCL一样。

TODO可以单独用OpenCL有效地实现OpenGL，即使所有阶段都可编程吗？当然，必须有性能/灵活性权衡。

带有着色器的第一个GPU使用不同的专用硬件进行顶点和片段着色，因为它们具有完全不同的工作负载。但是，当前的体系结构对所有着色器使用单一类型的硬件（基本上是小型CPU），这样可以节省一些硬件重复。这个概念被称为：https://en.wikipedia.org/wiki/Unified_shader_model

Image source

要真正理解着色器及其所能做的一切，您必须查看许多示例并学习API。例如，https://github.com/JoeyDeVries/LearnOpenGL是一个很好的来源。

在现代OpenGL 4中，即使是hello world三角形程序也使用超级简单的着色器，而不是像glBegin和glColor那样的旧版已弃用的直接API。以下是一个示例：https://stackoverflow.com/a/36166310/895245

非平凡着色器的一个经典酷应用是动态阴影：

Image source

Answer 2

着色器基本上根据几个光方程为您提供要渲染的对象的正确颜色。因此，如果您有球体，灯光和相机，那么相机应该会看到一些阴影，一些闪亮的部分等，即使球体只有一种颜色。着色器执行光方程计算以获得这些效果。

顶点着色器将虚拟空间（您的三维模型）中每个顶点的3D位置转换为它在屏幕上显示的二维坐标。

片段着色器基本上通过进行光计算为您提供每个像素的着色。