OpenGL着色语言概述：可编程图形处理器和着色语言

OpenGL着色语言 OpenGL着色语言是计算机图形学中的一种编程语言，用于编写图形处理器的着色程序。它是OpenGL（Open Graphics Library）的组成部分，旨在提供一个灵活、高效的图形处理解决方案。 OpenGL着色语言的发展可以追溯到20世纪90年代初期，当时图形处理器的着色语言主要有两个方向：低级着色语言和高级着色语言。低级着色语言是指直接操作图形处理器的寄存器和内存的语言，例如ARB_VERTEX_PROGRAM。高级着色语言则是指基于C语言的编程语言，例如GLSL（OpenGL Shading Language）。 在现代图形流水线中，OpenGL着色语言扮演着重要角色。图形流水线可以分为多个阶段，每个阶段都可以使用OpenGL着色语言编写相应的程序。例如，在应用程序级（Application）中，可以使用OpenGL着色语言实现物理模拟、处理用户输入、修改数据结构、数据库访问、几何基元生成等功能。在命令级（Command）中，可以使用OpenGL着色语言提供命令缓冲区、解释执行命令和管理图形系统的状态。 在几何级（Geometry）中，OpenGL着色语言可以用于对多项式表达的弯曲曲面求值、进行几何变换、光照计算、纹理坐标生成、实现剪切、拣选与几何基元组装等功能。在光栅化级（Rasterization）中，可以使用OpenGL着色语言进行三角形设置、对三角形进行抽样以生成片断、对颜色和纹理坐标进行插值。在纹理级（Texture）中，OpenGL着色语言可以用于对纹理坐标进行变换、进行纹理访问与过滤。在片断级（Fragment）中，可以使用OpenGL着色语言混合片断颜色与纹理、进行雾化操作、执行深度、透明以及模版测试、最终生成要写入帧缓冲区的象素。 在显示级（Display）中，OpenGL着色语言可以用于对象素颜色进行嘎玛校正后写入帧缓冲区。命令与几何级属于对象空间的操作，其上的操作是每顶点的，主要是进行几何变换和光照计算，它的特点是大量（>=1000万个顶点）复杂的浮点操作。纹理与片断级输入图像空间的操作，其上的操作是每片断的，主要是进行纹理混合，它的特点是进行海量（>=10亿个片断）但是较简单的定点运算。 图形硬件的发展是一个逐渐对图形流水线增加硬件加速功能的过程。最早的图形硬件只是一个简单的帧缓冲区，没有任何硬件加速功能。之后逐渐添加硬件光栅化、硬件纹理映射、硬件几何变换与光照计算、硬件反走样等功能。按照图形硬件所支持的硬件加速功能的多少与性质，可以把图形硬件分为几代。 1984年，SGI公司发布了IRIS1400图形系统，其中集成的图形硬件可以实时光栅化平坦着色（flat-shaded）的多边形，这是第一代图形加速硬件。第二代图形加速硬件以HP的SPX和SGI的GT为代表。它们提供Phong光照计算、Gouraud着色和Z-Buffer功能，光栅化性能也有了大大提高。1992年，SGI推出了RealityEngine[Akeley93]，之后又于1996年推出了InfiniteReality[Molnar96]。 OpenGL着色语言是现代计算机图形学中的一种重要编程语言，它提供了灵活、高效的图形处理解决方案，广泛应用于图形处理器、游戏开发、科学计算等领域。