计算机图形学速通指南笔记（0）

前言

如果你已经有用计算机绘图的经验，你就会知道在这个过程中你会先画一个圆，然后是一个矩形、一条线、一些三角形，直到你构成你想要的图像。这个过程和手写一封信或一本书非常相似------它是一系列逐步执行任务的指令。

着色器也是一组指令，但这些指令会同时作用于屏幕上的每一个像素。这意味着你编写的代码必须根据像素在屏幕上的位置表现不同。就像印刷机一样，你的程序将作为一个函数工作，接收一个位置并返回一个颜色，并且当它被编译时，它会运行得非常快。

自然的承接下来，我们就要回答：怎么就快了？答案是------并行计算，或者说，并行处理。

并行处理并不是一个陌生的话题，我们都知道，单个CPU处理器，不管怎么说，都是只能串行的做事情。

可能会有人问我：不对啊，我的单核的电脑，怎么看起来同时在做很多事情呢？答案是操作系统对您的电脑进行了进程调度，让CPU看起来很万能，但实际上不过是在一个极短的时间内来回切换多个任务

现代计算机通常由多个处理器组成，换而言之，咱们真的有并行能力了，它们就像这些管道一样工作，依次完成任务，从而保持系统流畅运行。

在这个领域，也许我们真的要好好聊一下，认识理解并行编程的必要性。这是因为游戏，或者是视频，显然处理了极大量的像素计算

视频游戏和其他图形应用程序比其他程序需要更多的处理能力。由于它们包含大量图形内容，因此必须进行大量的逐像素运算。屏幕上的每一个像素都需要计算，在 3D 游戏中，还需要计算几何形状和透视效果。

您可能没有概念，我们需要强调下，我们要对每一个像素进行计算。举个例子，就拿800x600的屏幕来唠------每帧需要处理 48 万个像素 ，也就是每秒 1440 万次计算！没错！这足以让微处理器过载。

在现代 2880x1800 分辨率的 Retina 显示屏上，以每秒 60 帧的速度运行，这种计算每秒需要进行 311,040,000 次。您可以想想，要是塞给CPU来做，他只会直接罢工了。

所以，GPU应运而生，他比CPU更加简单，但是兄弟们，她算的快，特别擅长浮点类和批量的计算。因为他会真正并行的同时处理一大堆像素而且返回运算的结果。

既然 GPU 是一个拥有成千上万个小核心的"计算工厂"，那咱们总得给这些工人发一份统一的"施工指南"吧？这个指南，就是着色器（Shader）。简单来说，着色器就是一段运行在 GPU 上的小程序。它不再像 CPU 那样擅长处理复杂的逻辑判断，而是极其专注于一件事：计算。我的意思是------你可以把它想象成一个高效的"涂色配方"：它告诉 GPU 每一个微小的核心，在处理特定像素时，光影该怎么变、颜色该怎么调。正是有了这些脚本，GPU 才能让数万核心齐头并进，完成天文数字般的运算。

所以，在我们的旅途中，需要学习跟 GPU 相关的内容，也要学习类似 OpenGL 的东西。换而言之------就是学习如何编写这些着色器，指挥它们操作我们的硬件，一笔一画地勾勒出我们想要的世界。"

什么是 GLSL？

GLSL 代表 OpenGL 着色语言，它是着色器程序的特定标准。但是这里我们点到为止。

为什么图形学难？

一方面是算法的难度，以及------并行计算。

为了并行运行，每个管道或线程都必须独立于其他线程。我们说线程之间相互"盲"，不知道其他线程在做什么。这条限制意味着所有数据必须沿同一方向流动。因此，不可能检查另一个线程的结果、修改输入数据，或者将一个线程的输出传递给另一个线程。允许线程间通信会危及数据的完整性。

此外，GPU 会使并行微处理器（管道）始终处于繁忙状态；一旦空闲，它们就会接收新的信息进行处理。线程不可能知道它前一刻在做什么。它可能正在绘制操作系统用户界面中的一个按钮，然后在游戏中渲染一部分天空，最后显示电子邮件的文本。每个线程不仅是盲的，而且是无记忆的。除了需要对根据位置逐像素改变结果的通用函数进行抽象之外，盲性和无记忆的限制使得着色器在初级程序员中并不受欢迎。

上代码

可能有点快，但是，我们干程序的都喜欢上代码说话。好，那就上代码。从Unix C搞出来的Hello World经典步骤，我们也搞一个。这是一个简单的单行程序，输出热情洋溢的欢迎信息，并预示着未来的机遇。

在GPU领域，渲染文本对于第一步来说过于复杂，因此我们将选择一种明亮的欢迎颜色来表达我们的热情！

c 复制代码

#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif

void main() {
	gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,1.0,1.0);
}

虽然这些简单的代码看起来并不复杂，但我们可以从中推断出大量的知识：

着色器语言只有一个主函数，该函数会在最后返回一个颜色值。这类似于 C 语言。
最终的像素颜色被赋值给保留的全局变量 gl_FragColor。
这种类似 C 语言的语言内置了变量（例如 gl_FragColor）、函数和类型。在本例中，我们刚刚接触到了 vec4，它代表一个四维浮点精度向量。稍后我们将看到更多类型，例如 vec3 和 vec2，以及常用的 float、int 和 bool。
如果我们仔细观察 vec4 类型，我们可以推断出它的四个参数分别对应红色、绿色、蓝色和 Alpha 通道。我们还可以看到这些值是归一化的，也就是说它们的取值范围是 0.0 到 1.0。稍后，我们将学习归一化值如何使变量之间的值映射更加容易。
在这个例子中，我们可以看到另一个重要的 C 语言特性：预处理器宏。宏是预编译步骤的一部分。使用宏可以定义全局变量并执行一些基本的条件操作（例如使用 #ifdef 和 #endif）。所有宏命令都以井号 (#) 开头。预编译发生在编译之前，它会复制所有对 #define 的调用，并检查 #ifdef（已定义）和 #ifndef（未定义）条件语句。在上面的"Hello World!"示例中，我们仅在定义了 GL_ES 时才插入第 2 行，这通常发生在代码在移动设备和浏览器上编译时。
浮点类型在着色器中至关重要，因此精度级别也至关重要。较低的精度意味着更快的渲染速度，但会牺牲图像质量。您可以仔细指定每个使用浮点数的变量的精度。在第一行代码中（precision mediump float;），我们将所有浮点数设置为中等精度。但我们也可以选择将其设置为低精度（precision lowp float;）或高精度（precision highp float;）。
最后，也许也是最重要的一点是，GLSL 规范并不保证变量会自动转换。这意味着什么？制造商采用不同的方法来加速显卡处理，但他们必须保证最低规格。自动转换并不在其中。在我们的"Hello World！"程序中......例如，vec4 具有浮点精度，因此它期望赋值为浮点数。如果您想编写高质量且一致的代码，而不是花费数小时调试白屏，请习惯在浮点数前加上小数点 (.)。

这是笔者在看Book Of Shader的时候注意的，非常感谢GPT，他告诉我（虽然我的确也发现了，这不是一个标准的C语言程序）这不是一个可以运行的C语言程序，在下一篇博客里，我们将会讲解如何在WSL中配置OpenGL学习环境，进一步学习OpenGL！