初识图形API
OpenGL(Open Graphics Library)是⼀个跨编程语⾔、跨平台的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象称为⼀个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为⼀个的OpenGL指令。
OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL三维图形 API 的子集，针对⼿机、 PDA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。
DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不是⼀个单纯的图形API. 最重要的是DirectX是属于 Windows上⼀个多媒体处理API。并不支持Windows以外的平台，所以不是跨平台框架， 按照性质分类，可以分为四大部分，显示部分、声⾳部分、输⼊部分和⽹络部分。
Metal : Apple为游戏开发者推出了新的平台技术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。
1.OpenGL状态机
状态机可以理解为一台可以保存状态，并根据当前状态进行相应输出的机器。
核心要点：
- 记忆功能，保存当前状态
- 接收输入，修改当前状态，或根据当前状态进行输出
- 当进⼊特殊状态(停机状态)时，不再接收输⼊，停⽌工作
2.OpenGL上下文(context)
在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，首先需要创建⼀个OpenGL的上下⽂。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语⾔一样的面向过程的函数。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。通过对 OpenGL指令的封装，可以将OpenGL的相关调⽤封装成为⼀个⾯向对象的图形API。
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，可以在应⽤程序中分别创建多个不同的上下文，在不同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。
核心要点：
- OpenGL指令执⾏的基础，是⼀个⾮常庞⼤的状态机。
- OpenGL上下文切换开销大。虽然可能使用多个上下文，但上下文之间会共享纹理、缓冲区等资源。
- OpenGL的函数虽然是面向过程的，但可以把相关的调用封装为面向过程的图形API。
3. 渲染
将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering)。
4. 顶点数组和顶点缓冲区
顶点数据就是图像的轮廓。OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三⻆形。
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(VertexArray)。
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到显存当中。这部分的显存，就被称为顶点缓冲区(VertexBuffer)。
核心要点：
- 3种类型的图元：点、线、三⻆形。
- 顶点数组(VertexArray)在内存中。
- 顶点缓冲区(VertexBuffer)在缓存中。
5.管线
在OpenGL下渲染图形,就会经历一个一个的节点,而这样的操作可以理解为管线.就像一个流水线,任务按照先后顺序依次执行.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.
6.固定管线/存储着色器
在早期的OpenGL版本,封装了很多着色器程序块,内置了一段包含了光照、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定shader程序来完成.来帮助卡发着来完成图形的渲染.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,这是将相关部分开放成可编程.
7.着色器程序(Shader)
将固定渲染管线架构变成了可编程渲染管线
OpenGL在实际调用绘制函数之前,还需要指定一个由shader编译成的着色器程序.常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).皮段单着色器和像素着色器只是在OpenGL和DX中不同叫法而已.可惜的是,知道OpenGL ES 3.0,OpenGL ES依然只支持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),着色器程序同事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.在通过图元装配,将顶点转换图元.然后进行光栅化,将图元这种矢量单位,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种的每一个像素进行运算,病决定像素的颜色
7.1顶点着色器(VertexShader)
顶点着色器是OpenGL中用于计算顶点属性的程序
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,就是在这里发生的.
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,并且着色器运算过程中无法访问其他顶点的数据.
7.2 片段着色器(FragmentShader)
片段着色器是OpenGL中用于计算片段(像素)颜色的程序.一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充.
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.
8.GLSL(OpenGL Shading Language)
GLSL着色语言是用来在OpenGL中着色编程的语言,是在图形的GPU上执行的.代替了固定的渲染管线的一部分,是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的着色器代码分两个部分:VertexShader(顶点着色器)和FragmentShader(片段着色器)
9.光栅化(Rasterization)
光栅化就是吧顶点数据转换为片元的过程.具有将图元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.
光栅化其实是一种将集合图元变为二维图像的过程.该过程包含了两部分的工作.
- 决定窗口坐标中的哪些整形栅格区域被基本图元占用
- 分配一个颜色值和一个深度值到各个区域.
把物体的数学描述以及物体相关的颜色信息转换为屏幕上用于对应位置的像素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
10.纹理(Texture)
纹理可以理解为图片.在渲染图形时需要在顶点围城的区域中填充图片,使得场景更加逼真.儿这里使用的图片,就是常说的纹理.只是在OpenGL,我们更加习惯叫纹理,而不是图片.
11.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种颜色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提供的混合算法有限.如果需要更加复杂的算法,一般可以通过片段着色器来实现,当然性能会比原生的混合算法差一些.
12.矩阵
12.1 变换矩阵(Transformation)
例如图形平移、缩放、旋转等变换
12.2 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.
13.渲染上屏/减缓缓冲区(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.
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,实现图像在屏幕上显示.
由于显示器的刷新一般是逐行进行的,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,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,这个信号就别称为垂直同步信号,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,是的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.
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