OpenGL相关概念讲解

OpenGL(Open Graphics Library)是一个跨编程语言、跨平台的图形应用程序编程接口。他将计算机的资源抽象成为一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。
OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是OpenGL三维图形API的子集，针对手机、PAD和游戏主机等嵌⼊式设备⽽设计，去除了许多不必要和性能较低的API接⼝。
Metal 该技术能够为 3D 图 像提⾼ 10 倍的渲染性能.Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽而推出的框架.

OpenGL /OpenGL ES/ Metal 在任何项目中解决问题的本质就是利⽤GPU芯⽚来高效渲染图形图像.
图形API 是iOS开发者唯⼀接近GPU的⽅式.

图形API的目的：
实现图形的底层渲染。例如：
1、游戏开发中对游戏场景、游戏任务的渲染。
2、音视频开发中，对于视频解码后的数据渲染。
3、地图引擎，对于地图上的数据渲染。
4、动画的绘制。
5、视频上的滤镜效果。

OpenGL 专业名词解析

一、OpenGL 上下⽂(context)：

• 应用程序在调用任何OpenGL指令前，需要首先创建一个OpenGL的上下文(context)。这个上下文是一个非常庞大的状态机，保存了OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL指令执行的基础。
• OpenGL的函数不管在哪个语⾔中，都是类似C语的面向过程的函数，本质上都是对OpenGL上下文这个庞大的状态机中的某个状态或者对象进行操作，当然你得首先把这个对象设置为当前对象。因此，通过对OpenGL指令的封装，是可以将OpenGL的相关调用封装成一个面向对象的图形API的。
• 由于OpenGL上下文是⼀个巨大的状态机，切换上下文往往会产⽣较大的开 销，但是不同的绘制模块，可能需要使⽤完全独立的状态管理。因此，在应用程序中可以分别创建多个不同的上下文，在不同的线程中使用不同的上下文，上下文之间共享纹理、缓冲区等资源。这样的⽅案，会⽐反复切换上下⽂，或者大量修改渲染状态，更加合理高效的。

二、OpenGL 状态机

• 状态机是理论上的一种机器，这个非常难以理解，所以我们把这个状态机这么 理解。状态机描述了一个对象在其生命周期内所经历的各种状态，状态间的 转变，发生转变的动因，条件及转变中所执行的活动。或者说，状态机是 ⼀一种行为，说明对象在其生命周期中响应事件所经历的状态序列以及对那些状态事件的响应。
  因此具有以下特点:
  1、有记忆功能，能记住其当前的状态
  2、可以接收输入，根据输入的内容和⾃己的原先状态，修改⾃己当前状态，并且可以有对应输出。
  3、当进入特殊状态(停机状态)的时候，便不再接收输⼊，停⽌工作。
• 在OpenGL 中可以这么理解：
  1、OpenGL 可以记录自己的状态（如当前颜色、是否开启了混合功能等）。
  2、OpenGL 可以接收输入（当调⽤OpenGL函数的时候，实际上可以看成 OpenGL在接收我们的输入），如我们调⽤glColor3f，则OpenGL接收到这个输⼊后会修改⾃己的“当前颜色”这个状态.
  3、OpenGL可以进⼊停止状态，不再接收输入。在程序退出前，OpenGL总会先停⽌工作的。

三、渲染:
将 图形/图像 数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering)

四、顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

• 画图⼀般是先画好图像的骨架，然后再往骨架里面填充颜色，这对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架，和现实中不同的是，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGLES中，有3种类型的图元: 点、线、三⻆形 。那这些顶点数据最终是存储在哪⾥的呢？开发者可以选择设定函数指针，在调⽤绘制方法的时候，直接由内存传入顶点数据，也就是说这部分数据之前是存储在内存当中的，被称为顶点数组。⽽性能更高的做法是，提前分配⼀块显存，将顶点数据预先传⼊入到显存当中。这部分的显存，就被称为顶点缓冲区。
• 顶点指的是我们在绘制一个图形时,它的顶点位置数据。而这个数据可以直接 存储在数组中或者将其缓存到GPU内存中。

五、管线

• 在OpenGL 下渲染图形,就会有经历一个一个节点。⽽这样的操作可以理解为管线。大家可以想象成流⽔线，每个任务类似流⽔线般执行，任务之间有先后顺序。管线是⼀个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡在处理理数据的时候是按照 ⼀个固定的顺序来的，而且严格按照这个顺序。就像水从一根管⼦的一端流到另⼀端，这个顺序是不能打破的。

六、固定管线（或者叫 存储着⾊器）

• 在早期的OpenGL 版本，它封装了很多种着色器程序块内置的一段包含了光照、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定shader程序来完成，来帮助开发者 来完成图形的渲染。 ⽽开发者只需要传入相应的参数，就能快速完成图形的 渲染。类似于iOS开发会封装很多API，而我们只需要调用，就可以实现功能，不需要关注底层实现原理。
• 但是由于OpenGL 的使用场景⾮常丰富，固定管线或存储着色器无法完成每⼀个业务。这时将相关部分开放成可编程。

七、着器程序Shader

• 就全⾯的将 固定渲染管线 架构变为了 可编程渲染管线 。因此，OpenGL在实际调⽤绘制函数之前，还需要指定一个由shader编译成的着⾊色器程序。常⻅见的着⾊器主要有 顶点着⾊器(VertexShader)，片段着⾊器 (FragmentShader)/像素着⾊器(PixelShader)，⼏何着⾊器 (GeometryShader)，曲面细分着⾊器(TessellationShader)。⽚段着⾊器和像素着⾊器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是，直到OpenGLES 3.0，依然只⽀支持了 顶点着⾊器 和 ⽚段着⾊器 这两个最基础的着⾊器。
• OpenGL在处理shader时，和其他编译器一样。通过编译、链接等步骤，⽣成了着⾊器程序(glProgram)，着⾊器程序同时包含了 顶点着⾊器 和 ⽚段着⾊器 的运算逻辑。在OpenGL进行绘制的时候，首先由顶点着⾊器对传⼊的顶点数据进⾏运算。再通过图元装配，将顶点转换为图元。然后进⾏行光 栅化，将图元这种⽮量图形，转换为栅格化数据。最后，将栅格化数据传入片段着⾊器中进⾏运算。⽚段着⾊器会对栅格化数据中的每⼀个像素进⾏运算，并决定像素的颜色。

顶点着⾊器（VertexShader）:
a. 一般⽤来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)。
b. 顶点着⾊器是OpenGL中⽤于计算顶点属性的程序。顶点着⾊器是逐顶点运 算的程序，也就是说每个顶点数据都会执行⼀次顶点着⾊器，当然这是并行的，并且顶点着⾊器运算过程中⽆法访问其他顶点的数据。
c. ⼀般来说典型的需要计算的顶点属性主要包括顶点坐标变换、逐顶点光照 运算等。顶点坐标由⾃身坐标系转换到归一化坐标系的运算，就是在这⾥发⽣生的。

片元着⾊器程序FragmentShader：
a.⼀般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充。
b.⽚段着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段(像素)颜色的程序。⽚段着⾊器是逐像素运算的程序，也就是说每个像素都会执⾏一次⽚段着⾊器，当然也是并行的。

八、GLSL(OpenGL Shading Language)

• OpenGL着⾊语言(OpenGL Shading Language)是⽤来在OpenGL中着⾊编程 的语言，也即开发⼈员写的短小的⾃自定义程序，他们是在图形卡的GPU (Graphic Processor Unit图形处理单元)上执⾏的，代替了固定的渲染管线的⼀部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。比如:视图转换、投影转换等。GLSL(GL Shading Language)的着⾊器代码分成2个部分: Vertex Shader(顶点着⾊器)和Fragment(⽚断着⾊器)。

九、光栅化Rasterization

• 把顶点数据转换为片元的过程。具有将图转化为一个个栅格组成的图像的作用。特点是每个元素对应帧缓冲区中的一像素。
• 光栅化是顶点数据转换为片元的过程，片元中的每个元素对应帧缓冲区中的一个像素。
• 光栅化其实是将几何图元转变为二维图像的过程。该过程包含了两部分工作：
  1、决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用。
  2、分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。
  光栅化产生的是片元。
• 把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换到屏幕上用于对应位置的像素以及用于填充像素的颜色，这个过程称为光栅化。这是一个将模拟信号转化为离散信号的过程。

十、纹理

• 纹理可以理解为图⽚。 大家在渲染图形时需要为其编码填充图片，为了使得 场景更加逼真。而这里使用的图⽚，就是常说的纹理。但是在OpenGL，我们更更加习惯叫纹理，而不是图⽚。

十一、混合(Blending)

• 在测试阶段之后，如果像素依然没有被剔除，那么像素的颜色将会和帧缓冲区中附着上的颜⾊进⾏混合，混合的算法可以通过OpenGL的函数进行指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的，如果需要更更加复杂的混合算法，⼀一般可以通过像素着⾊器进⾏实现，当然性能会⽐原生的混合算法差⼀些。

十二、变换矩阵(Transformation)

• 例如图形想发生平移、旋转、缩放就需要使用变换矩阵。

十三、投影矩阵(Projection)

• 用于将3D坐标转换为二维屏幕坐标，实际线条也将在二维坐标下进行绘制。

十四、渲染上屏/交换缓冲区(SwapBuffer)

• 渲染缓冲区一般映射的是系统的资源比如窗口。如果将图像直接渲染到窗⼝对应的渲染缓冲区，则可以 将图像显示到屏幕上。
• 但是，值得注意的是，如果每个窗⼝只有⼀个缓冲区，那么在绘制过程中屏幕进⾏了刷新，窗⼝可能显示出不完整的图像。
• 为了解决这个问题，常规的OpenGL程序至少都会有两个缓冲区。显示在屏幕上的称为屏幕缓冲区，没有显示的称为离屏缓冲区。在一个缓冲区渲染完成之后，通过将屏幕缓冲区和离屏缓冲区交换，实现图像在屏幕上的显示。
• 由于显示器的刷新⼀般是逐行进行的，因此为了防止交换缓冲区的时候屏幕上下区域的图像分属于两个不同的帧，因此交换⼀般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中进⾏交换，这个信号就被称为垂直同步信号，这个技术被称为垂直同步。
• 使⽤了双缓冲区和垂直同步技术之后，由于总是要等待缓冲区交换之后再进行下一帧的渲染，使得帧率⽆法完全达到硬件允许的最⾼水平。为了解决这个问题，引⼊了三缓冲区技术，在等待垂直同步时，来回交替渲染两个离屏的缓冲区，⽽垂直同步发生时，屏幕缓冲区和最近渲染完成的离屏缓冲区交换，实 现充分利用硬件性能的⽬的。

视口：一般为窗口的大小
透视投影：有视觉差
正投影：没有视觉差

摄像机坐标系：世界坐标系、惯性坐标系（跟世界坐标系平行）、物理坐标系

OpenGL坐标系

着色器的渲染流程

着色器的渲染流程.png