OpenGL&D3D State Machine

 

OpenGL状态机（State Machine）

OpenGL状态机的目前只有1.1版本，也是最经典的，大家可以参考下述链接：

ftp://ftp.sgi.com/opengl/doc/opengl1.1/state.pdf

ftp://ftp.sgi.com/opengl/doc/opengl1.1/state.ps

它们是内容相同而格式不同的状态机表达。整个文件中只有一张Postscript的图。这张图实际上就是SGI RealityEngine的硬件程序流程描述。

首先硬件接受应用程序输入的顶点信息，（Color, Normal, Texture, EdgeFlag， Vertex, ），经过世界坐标变换（glTranslate, glRotate, glScale），接着进 行User Clip Plane，之后进入视图变幻和裁减（Projection Matrix），然后视 口变换（ViewPort），经过Primitive Setup，光栅化处理（Flat或Phong）生成 片断Fragment，下面的对每个依次作纹理贴图计算，纹理混合(Texture Blend)， 深度测试(Depth Test)，模板测试（Stencil测试），透明测试（Alpha Test）， 透明混合（Apha Blend），然后写入颜色缓冲区，深度缓冲区，模板缓冲区。

整个流程如下：

• Application
• Vertex Information (Material , Normal, Textcoord, EdgeFlag, Vertex Position)
• Lighting
• World Matrix Transform
• User Clip Plane Clipping
• Projection Matrix Transform and Clip
• ViewPort
• Primitive Setup ( point, Line, Triangle)
• Rasterization( Flat or Phong ) == > Generate Fragment
• Fragment Texture Addressing () == Texture In Video memory
• Fragment Texture Blend ( blend Diffuse, Specular and Texture of Fragment )
• Depth Test == with Depth Buffer
• Stencil Test == with Stencil Buffer
• Alpha Test == with alpha channel of color buffer
• Alpha Blend == with color buffer
• Fragment write to FrameBuffers

我们可以看到OpenGL每处理一个几何图元，需要经过大量的处理过程。大家应该对这个图的每个步骤地工作相当清晰。这里有几个概念需要说明。

第一个概念是Fragment，片断或者片元。每一个片断对应屏幕上的一个像素点， 它是光栅化（Rasterization）引擎使用FLAT shading或 Phong Shading生成的。 Rasterization引擎产生的片断包含一下信息：

• 屏幕坐标；
• 颜色信息，Diffuse和Specular；
• 深度信息和模板信息；
• 纹理坐标,u,v。

第二个概念是纹理混合（Texture Blend），它是指纹理颜色和片断颜色（Diffuse和Specular）合成的方式。就是指glTexEnv的效果，根据不同的参数决定片断只保留Texel（纹理元）还是使用Texel（纹理元）和片断的颜色做混合。

第三个概念是透明融合Alpha Blend。如果一个片断经过深度测试，模板测试和透明测试，那么它将和缓冲区对应位置的像素作透明融合。

相信大家对OpenGL 状态机有了一定的了解，实际上这也是Direct3D8以前的图形流水线的主要参考模型（graphics processing pipeline）。

如果我们能够在流水线中减少一个操作，我们就能够获得性能的提高，当然前提是我们能够绘制正确的图像。

典型的D3D9硬件体系结构

上面的OpenGL状态机实际上就是SGI的Reality Engine和其他Direct3D7及其一下 版本的图形硬件流水线结构。下面我向大家介绍D3D9的典型硬件体系结构（或者 说Direct3D9的参考模型）。

• Application
• IDirect3DDevice9::DrawIndexedPrimitive
• D3D Driver (Display Driver ) Send Commands to Hardware by AGP
• following is hardware Command Interpreter
• “Fetch” Indexed Primitive data to Vertex Shader Cache (access index buffer and Vertex Buffer)
• “Put“ Cached data to Vertex Shader Input
• Vertex Shader do Transform, Light and Vertex Blend
• Vertex Shader Output Vertices in Screen coordinate Space, Screen Pos, Diffuse, Texture Coord
• User Clip plane
• Guard band clip
• Primitive Setup (Point, Line, Triangle)
• Rasterizaiton(flat or Phong)
• Pixel Shader (Texture addressing and texture blend)
• Depth Test
• Stencil Test
• Alpha Test
• Alpha Blend
• Frame Buffers

我们可以看到D3D9的流水线和OpenGL 1.1的流水线有很大的不同。

• OpenGL的顶点数据是通过调用OpenGL API一个个的送到流水线的几何变换处理单元，立即模式(immediate mode)，而D3D9通过 Fetch和Put两步工作，从Vertex Buffer中读出送入Vertex Sahder的Input寄存器；
• OpenGL 1.1的光照计算和几何变换是通过传统的固定流水线（TnL: Transform and Lighting）完成的—fixed function graphics processing(FGP)，而D3D9时通过Vertex Shader实现，它比FFGP更为复杂，可以完成更多的功能；
• OpenGL 1.1的Texture mapping和Texture Blend独立的两个步骤，而D3D9是通过Pixel Shader，PS是可编程的(Programmable Graphics Processing)。

D3D8/D3D9的Vertex Shader和Pixel Shader是两个图形体系结构巨大的进步，当然使得图形程序设计更为灵活，也更为困难和复杂。

对于D3D8/D3D9的硬件体系结构，我们的程序优化工作有多了两个内容，优化Vertex Shader和Pixel Shader。

今天我的重点放在传统图形流水线(TnL)的性能优化上。