OpenGL图形专有名词

作者: 过气的程序员DZ | 来源:发表于2020-07-02 19:03 被阅读0次

开场白

本文介绍的专有名词有：

OpenGL
OpenGL ES
DirectX
Metal
状态机
上下文context
渲染
顶点数组
顶点缓冲区
管线
着色器程序
顶点着色器
片段着色器
GLSL
光栅化
纹理
混合
变换矩阵
投影矩阵
渲染上屏/交换缓冲区

图形API简介

$\color{red}{OpenGL}$ (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

$\color{red}{OpenGL}$ $\color{red}{ES}$ (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

$\color{red}{DirectX}$ 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上⼀个多媒体处理框架.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

$\color{red}{Metal}$ 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渲染⽽推出的框架

OpenGL专业名词解析

$\color{red}{状态机}$

理论上的一种机器。有以下特点：

有记忆功能，能记住当前状态。
可以接受输入，根据输入的内容和自己的原状态，修改自己当前状态，并且可以有对应的输出。
当进入特殊状态（停机状态）的时候，不再接受输入，停止工作。

理论上有抽象，我们可以把它想象成我们用的个人电脑：

有记忆功能，能记住当前状态。--个人电脑中的存储器： $\color{red}{内存和硬盘}$
可以接受输入，根据输入的内容和自己的原状态，修改自己当前状态，并且可以有对应的输出。--个人电脑中的输入输出设备： $\color{red}{键盘鼠标和显示器}$
当进入特殊状态（停机状态）的时候，不再接受输入，停止工作。--个人电脑 $\color{red}{关机状态}$ ，键盘鼠标显示器都已经停止工作了。
所以说理论上的一种机器，这种形容很准确。

$\color{red}{上下文context}$

在调用任何OpenGL的指令之前，需要首先创建一个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的函数不管在哪个开发语言中，都是类似C语言一样的面向过程的函数，本质上都是对OpenGL上下文的某个状态或对象进行操作，当然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的相关调用封装称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，切换上线文往往会产生较大的开销，但是不同绘制模块，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线文，在不同线程中使用不用的上下文，在上下文之间共享纹理、缓冲区等资源。这样的方案，会比来回切换上下文，或者大量修改渲染状态要更加合理高效。

$\color{red}{渲染}$

将图形、图像数据转换成2D控件图像操作叫做渲染（Rendering）。

$\color{red}{顶点数组}$

与我们生活中画画一样，先大概画出一个轮廓出来，然后再往这填充细节。OpenGL中也类似，顶点数据就是图像的轮廓（或者说骨架）。不同的点是，OpenGL中的图像是由 $\color{red}{图元}$ 组成。在OpenGL ES中，有3种类型图元：点、线和三角形。而由这些数据尊称的数组我们称为顶点数组。

$\color{red}{顶点缓冲区}$

通常在写代码的时候，定义的变量都是存储在内存中，所以说我们定义的顶点数组都是在内存中。其实这不是最高效的。最高效的方案是提前分配一块显存，将顶点数组中的数据传入到显存当中。这部分的显存我们称之为顶点缓冲区。

$\color{red}{管线}$

是一个抽象概念，在渲染图形时，会经历一个个的节点，而这样的操作可以理解成管线。有点类似流水线的概念。每个任务类似流水线搬执行。任务之间有先后顺序。

$\color{red}{着色器程序Shader}$

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。
常⻅的着⾊器主要有：

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。
OpenGL ES中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。

扩展1：着色器工作原理

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。

扩展2：固定管线/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。

$\color{red}{顶点着⾊器 VertexShader}$

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。

$\color{red}{⽚段着⾊器程序 FragmentShader}$

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。

$\color{red}{GLSL}$ (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）
Fragment（⽚元着⾊器）

$\color{red}{光栅化Rasterization}$

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。

$\color{red}{纹理}$

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，⽽不是图⽚。

$\color{red}{混合Blending}$

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。

$\color{red}{变换矩阵Transformation}$

图形想发⽣平移,缩放,旋转变换.就需要使⽤变换矩阵.

$\color{red}{投影矩阵Projection}$

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

$\color{red}{渲染上屏/交换缓冲区(SwapBuffer)}$

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