Open GL初识篇一

一、图形API简介

我们常见的图形API大概有Open GL、Open GL ES、DirectX、Metal等等。

1.Open GL

• 简介

Open GL 的全称是Open Graphic Library，即开放的图像库。作为图形库，就是用来显示图形的程序。它是一个跨编程语言，跨平台的编程图形程序接口，它将计算机资源抽象成为一个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个的OpenGL指令。

• 使用范围

PC端

2.Open GL ES

• 简介

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。
OpenGL ES 是从 OpenGL 裁剪定制而来的，去除了 glBegin/glEnd，四边形(GL_QUADS)、多边形(GL_POLYGONS)等复杂图元等许多非绝对必要的特性以及性能低的接口。
OpenGL ES 是免授权费的，跨平台的，功能完善的2D和3D图形应用程序接口API，它针对多种嵌入式系统专门设计 - 包括控制台、移动电话、手持设备、家电设备和汽车。
它由精心定义的桌面OpenGL子集组成，创造了软件与图形加速间灵活强大的底层交互接口。

• 使用范围

嵌入式设备

3.DirectX

• 简介

DirectX（Direct eXtension简称DX）是由微软公司创建的多媒体编程接口。由C++编程语言实现，遵循COM。被广泛使用于Microsoft Windows、Microsoft XBOX、Microsoft XBOX 360和Microsoft XBOX ONE电子游戏开发，并且只能支持这些平台。最新版本为DirectX 12，创建在最新的Windows10。DirectX是属于Windows上一个多媒体处理框架，并不支持Windows以外的平台，所以不是跨平台框架。DirectX主要由四部分组成分别是显示部分，声音部分，输入部分，网络部分。

• 使用范围

Windows平台

4.Metal

• 简介

2014年Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal(iOS8开始)，该技术能够为 3D 图像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。Metal 是一种低层次的渲染应用程序编程接口，提供了软件所需的最低层，保证软件可以运行在不同的图形芯片上。Metal 提升了苹果处理器效能，让其性能完全发挥。（注：苹果摒弃Open GL只是在它底层框架以及内核，而并非强制要求开发者一定要用Metal。）

二、图形API用途

图形API能实现我们看到的所有图形底层渲染，比如游戏中的场景、人物，音视频解码后的数据渲染，地图引擎，地图上的数据渲染，动画的绘制，视频图片滤镜等等。

Open GL/Open GL ES/Metal本质都是通过GPU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。

三、Open GL 专业名词解析

• OpenGL 上下⽂文(context)

  • 在应⽤用程序调⽤用任何OpenGL的指令之前，需要安排⾸首先创建⼀个OpenGL的 上下⽂文。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的函数不不管在哪个语⾔言中，都是类似C语⾔言⼀样的⾯面向过程的函 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的相关调用封装成为一个⾯向对象的 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立的状态管理理。因此，可 以在应用程序中分别创建多个不同的上下⽂文，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文，或者⼤量修改渲染状态，更加合理⾼效的.

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• OpenGL 状态机

  • 状态机是理理论上的⼀一种机器器.这个非常难以理解.所以我们把这个状态机这么 理理解.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，状态机是一种⾏为，说明对象在其⽣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：

    • 有记忆功能，能记住其当前的状态

    • 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

    • 当进入特殊状态(停机状态)的时候，变不再接收输入，停⽌工作。

  • 类推到Open GL中来，可以这么理解：

    • OpenGL可以记录⾃自⼰己的状态(如当前所使⽤用的颜⾊色、是否开启了了混合功能等)

    • OpenGL可以接收输入(当调⽤OpenGL函数的时候，实际上可以看成 OpenGL在接收我们的输⼊入)，如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到 这个输⼊入后会修改⾃自⼰己的“当前颜⾊色”这个状态;

    • OpenGL可以进入停⽌状态，不再接收输⼊入。在程序退出前，OpenGL总 会先停⽌工作的;

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• 渲染:将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering).

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• 顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

  • 画图⼀一般是先画好图像的⻣骨架，然后再往⻣架⾥面填充颜色，这对于 OpenGL也是⼀一样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架，和现实中不不同的 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、三⻆角形。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。

  • 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。

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• 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管 线.⼤家可以想象成流水线.每个任务类似流⽔水线般执⾏.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。

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• 固定管线/存储着⾊色器器

  • 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

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• 着色器程序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 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中的不同叫法⽽而已。可惜的是，直到 OpenGLES 3.0，依然只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在处理理shader时，和其他编译器⼀一样。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。

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• 顶点着色器VertexShader

  • ⼀般⽤来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)

  • 顶点着⾊器是OpenGL中⽤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

  • 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

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• ⽚元着⾊器程序FragmentShader

  • 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OpenGL中⽤用于计算⽚段(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

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• 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(⽚断着⾊色器)

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• 光栅化Rasterization

  • 是把顶点数据转换为⽚元的过程，具有将图转化为⼀个栅格组成的图象的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区中的一像素。

  • 光栅化就是把顶点数据转换为⽚元的过程。⽚元中的每⼀个元素对应于帧缓冲区中的⼀个像素。

  • 光栅化其实是一种将⼏何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分 的工作。第一部分⼯作:决定窗⼝坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用;第⼆部分工作:分配一个颜⾊值和一个深度值到各个区域。光栅化过程产⽣的是⽚元

  • 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

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• 纹理

  • 纹理可以理解为图片. ⼤家在渲染图形时需要在其编码填充图片,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,我们更加习惯叫纹理,而不不是图片.

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• 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提供的混合算法是有限的，如果需要更加复杂的混合算法，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.

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• 变换矩阵[Transformation]

  • 例如图形想发生平移，缩放，旋转变换，就需要使用变换矩阵。

• 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。

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• 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。