OpenGL（一）OpenGL ES 下专业名词解析

为了在各平台实现图形图像的高效渲染,减少开发者的重复工作,出现了一批优秀的API,如下简单的介绍一下这些API。

1. OpenGL

• OpenGL（Open Graphics Library，开放图形库）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。它将计算机的资源抽象成为一个个OpenGL对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。

2.OpenGL ES

• 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。
• OpenGL ES是从OpenGL裁剪的定制而来的，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。

3.DirectX

• 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。不支持Windows以外的平台，所以不是跨平台框架。
• 他们旨在使基于Windows的计算机成为运行和显示具有丰富多媒体元素（例如全色图形、视频、3D动画和丰富音频）的应用程序的理想平台。
• DirectX是由很多API组成的，不是一个单纯的图形API。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。

4.Metal

• Apple为游戏开发者推出了了新的平台技术 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渲染⽽推出的框架。在2014年以前苹果一直沿用OpenGL ES 来解决底层渲染，而后开始慢慢将自身底层框架的依赖从OpenGL ES迁移到Metal，但其核心的处理思想还是源于OpenGL ES。对于适应于OpenGL ES的开发者而言并没有太大的改变。

OpenGL 专业名词解析

1. OpenGL状态机

状态机是理论上的一种机器。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，便不再接收输入，停止工作。

类推到OpenGL 中来,可以这么理解:

• OpenGL可以记录自己的状态（如当前所使用的颜色、是否开启了混合功能等）；
• 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），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；
• 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。

• 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。

OpenGL是一个状态机，它保持自身的状态，除非用户输入一条命令让它改变状态。

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。

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(VertexArray)和顶点缓冲区（VertexBuffer)

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)。

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，封装了多种着色器程序块，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。来帮助开发者来完成图形的渲染。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，这时将相关部分开放成可编程。

7. 着⾊器程序(Shader)

着色器程序块开放编程后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）。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

8. 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。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。

9. 片元着⾊器(FragmentShader)

一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充

片元着色器是OpenGL中用于计算片段（像素）颜色的程序。片元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，当然也是并行的。

10. GLSL(OpenGL Shading Language)

GLSL着色语⾔是⽤来在OpenGL中着⾊编程的语⾔，是在图形卡的GPU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)。

11. 光栅化(Rasterization)

光栅化就是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。

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。

12. 纹理(Texture)

纹理可以理解为图⽚。 在渲染图形时需要在顶点围成的区域中填充图⽚，使得场景更加逼真。⽽这⾥使⽤的图⽚，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。

13. 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提供的混合算法有限，如果需要更加复杂的混合算法，一般可以通过片段着⾊器进⾏实现，当然性能会⽐原⽣的混合算法差⼀些。

14. 矩阵

• 变换矩阵(Transformation)

例如图形想发⽣平移、缩放、旋转等变换，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。

15. 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。

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，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。