一、什么是图形API

OpenGL是一个跨编程语言、跨平台的编程图形程序接口，它讲计算机的资源抽象成为一个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个OpenGL指令。

OpenGL ES 是OpenGL三维图形API的子集，针对手机、PDA（掌上电脑）和游戏主机等嵌入式设备而设计，去除了很多不必要的和性能较低的API接口。

DirectX是由很多API组成的，DirectX并不是一个单纯的图形API。更重要的是DirectX是属于Windows上的一个多媒体处理框架，且不支持Windows以外的平台，不属于跨平台框架。按照性质分类，可以分为：1、显示部分2、声音部分3、输入部分4、网络部分。

Metal是苹果为游戏开发者推出的新的平台技术，旨在解决3D渲染，该技术能够为3D图像提高10倍的渲染性能。2014年到2018年apple将系统内部从OpenGL ES到Matel,并于2018年宣布弃用OpenGL ES。

二、OpenGL名词解析

1、纹理

纹理可以理解问图片，在渲染图形时为了使场景更加逼真，需要在顶点围成的区域中填充图片，这个图片就是所谓的纹理，纹理只是OpenGL里的对图片的称呼。

2、OpenGL状态机

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、发生转变的原因、条件，及转变中所执行的活动。

也可以说状态机是一种行为，描述对象在其生命周期中响应事件所经历的状态序列以及对状态事件的响应。

特点：(1).有记忆功能，能记住当前的状态；(2).可以接收输入，根据输入的内容和自己原先的状态，修改自己当前的状态，且可以有对应的输出。(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。

OpenGL是一个状态机，记录自己的状态，除非用户输入命令让她改变自己的状态，OpenGL 接收输入的一些方法：

可以使用glColor*函数来选择一种颜色，以后绘制的所有物体都是这种颜色，除非再次使用glColor*函数重新设定。

可以使用glTexCoord*函数来设置一个纹理坐标，以后绘制的所有物体都是采用这种纹理坐标，除非再次使用glTexCoord*函数重新设置。

可以使用glBlendFunc函数来指定混合功能的源因子和目标因子，以后绘制的所有物体都是采用这个源因子和目标因子，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。

可以使用glLight*函数来指定光源的位置、颜色，以后绘制的所有物体都是采用这个光源的位置、颜色，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定

3、OpenGL 上下文（Context）

在应用程序中调用OpenGL指令前，首先需要创建OpenGL的上下文。上下文是一个非常大的状态机，保存了OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL指令执行的基础。

OpenGL函数式面向过程的函数，本质上是对OpenGL上下文这个庞大的状态机的某个状态或者对象进行操作，当然，前提是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的调用封装成一个面向对象的图形API。

OpenGL上下文是一个庞大的状态机，切换上下文的开销很大，但是不同的绘制模块可能需要独立的状态管理。因此，在应用程序中创建多个不同的上下文，在不同的线程中调用不同的上下文，这些上下文之间共享纹理，缓冲区等资源。会比反复切换上下文，或大量修改渲染状态更加高效。

4、渲染

将图形、图像数据转换成3D空间图像的操作叫做渲染。

5、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，有三种类型的图元：点，线，三角形。

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时存储在内存当中的，被称作顶点数组。

提前分配一块显存，将顶点数据预先传入显存当中，能够让性能更高效。这部分显存被称作顶点缓冲区。

6、管线

管线是一个抽象的概念，OpenGL下渲染图形，会经历一个一个节点，这样的操作可以理解为管线。之所以叫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，且严格执行这个顺序。

7、固定管线/存储着色器

在早起的OpenGL 版本，封装了多种着色器程序块，内置了一段包含光照、坐标转换、裁剪等诸多功能的着色器（shader）程序，帮助开发者完成图形的渲染。开发者只需传入参数调用即可完成图形的渲染。

由于OpenGL使用场景非常丰富，固定管线或者存储着色器无法完成每一个业务，将相关部分开放成可编程。

8、光栅化

光栅化就是把顶点数据转换成片元的过程，具有将图片转换成一个个栅格组成的图像。特点是每个元素对应帧缓冲区的一个像素。

光栅化是一种将几何图元变为二维图像的过程，包括两部分工作：1.决定窗口坐标中的那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，从而产生片元。

光栅化是一个将模拟信号转化为离散信号的过程：把物体的数学描述和颜色信息转换成屏幕上用于对应位置的像素和填充像素的颜色。

9、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。常见的着色器程序有顶点着色器，片段着色器/像素着色器，几何着色器，曲面细分着色器。片段着色器和像素着色器只是在OpenGL和DirectX中的不同叫法。直到OpenGL ES3.0，依然只支持顶点着色器和片段着色器。

OpenGL在处理shader是，和其他编译器一样，通过编译、链接等步骤，生成着色器程序。着色器程序同时包含顶点着色器和片段着色器的运算逻辑。

OpenGL绘制过程：首先由顶点着色器对传入的顶点数据进行运算-->通过图元装配将顶点转换成图元-->然后进行光栅化，将图元这种矢量图转换成栅格化数据-->将栅格化数据传入片段着色器进行运算。片段着色器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。

9.1、顶点着色器

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转换，逐顶点关照运算等等。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只从一次顶点着色器（并行），且顶点着色器运算过程中过无法访问其他顶点的数据。

9.2、片元着色器程序

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的颜色计算和填充。

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元着色器（并行）。

10、GLSL

OpenGL 着色语言是用来在OpenGL中着色的语言，也就是开发人员写的短小的自定义程序，是在图形卡的GPU上执行，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。GLSL的着色器代码分成两个部分：顶点着色器和片段着色器。

11、混合

在测试阶段，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的颜色混合。混合的算法可以通过OpenGL的函数进行指定，但是OpenGL提供的混法算法有限，可以通过着色器实现更复杂的混合算法，性能会比原生的差。

12、变换矩阵

可以用于图形的平移，缩放，旋转变换等

13、投影矩阵

将3D坐标转换成为二维屏幕坐标，实际线条也将在二维坐标下进行绘制。

13、渲染上屏/交换缓冲区

渲染缓冲区一般映射的是系统的资源，就像窗口，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。*每个窗口只有一个缓冲区，如果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后，通过屏幕缓冲区和离屏缓冲区交换，实现图像在屏幕上的显示。

由于显示器是逐行刷新的，为了防止缓冲区交换的时候，屏幕上下的区域分属两个不同的帧，所以交换动作会等待屏幕刷新完成的信号，这个信号叫做垂直同步信号，缓冲区交换过程在两次屏幕刷新之间进行。

在使用双缓冲区和垂直同步信号后，需要在缓冲区交换完成后才会进行下一帧的渲染，这样帧率无法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。有两个离屏缓冲区，垂直同步发生时，屏幕缓冲区和最近完成的离屏缓冲区交换。