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。