OpenGL初探

开篇介绍

这篇文章，主要讲的是以下几点：

1. 图形API简介
2. 图形API解决什么问题
3. OpenGL专业名词解析
4. OpenGL坐标系解析
5. 图片/图形从文件渲染到屏幕解析

Tips: OpenGL 两大圣经 红宝书 蓝宝书（适合0基础的）

1.图形API简介

• OpenGL(Open Graphics Library)
  是一个跨语言、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个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令，只操作GPU芯片。
• OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)
  它是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设计，去除了许多不必要和性能较低的接口。
• DirectX
  它由很多API组成，只支持Windows（不是跨平台），是一个多媒体处理框架，按照性质分类：显示部分、声音部分、输入部分和网络部分。
• Metal
  2014年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。

2.图形API目的是解决什么问题

简单来说就是实现图形的底层渲染：

• 比如在游戏开发中，对于游戏场景、任务的渲染
• 比如在音视频开发中，对于食品解码后的数据渲染
• 比如在地图引擎，对于地图上的数据渲染
• 比如在动画中，实现动画的绘制
• 比如在食品处理中，对于视频加上滤镜效果

Tips: OpenGL/OpenGL ES/Metal在任何项目中解决问题的本质就是使用GPU芯片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。

3.OpenGL专业名词解析

3.1 OpenGL上下文（context）

• 它是一个非常庞大的状态机，主要是保存了OpenGL中的各种状态，是OpenGL指令执行的基础。
• 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，首相得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的相关调用封装成一个面向对象的图形API。
• 切换上下文会产生较大的开销，但是不同的绘制模块，可能需要完全独立的状态管理，所以，可以在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，共享纹理、缓冲区等资源，更加合理高效。

3.2 OpenGL状态机

描述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尽力的状态序列以及对那些状态事件的响应，因此有以下特点：

• 有记忆功能，能记住其当前的状态，如果没有新的状态改变，它会一直保存
• 能接受各种信息，改变现有的状态，可以有对应输出
• 当进入特殊状态（停机）的时候，可以停止接受，不再工作

类推到OpenGL中来，可以这么理解：

• OpenGL可以记录自己的状态（颜色、是否开启混合功能等）
• OpenGL可以接收输入（调用OpenGL函数时，可以理解为OpenGL在接受我们的输入，比如调用glColor3f,则OpenGL接收到这个输入后会修改自己“当前颜色”这个状态）；
• OpenGL会在程序退出前，停止工作，不再接收输入。

3.3 渲染

将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染。

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

Tips:顶点数据是由GPU来处理的，顶点数组存在内存中间。
顶点缓存区：不在内存中，存在显卡的显存中。

• 画图先画框，画框先画点。顶点数据就是图像的骨架，OpenGL的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三角形。开发者可以选择设定函数指针，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是存储在内存当中的，被称为顶点数组。这里还有一种性能更高的做法：提前分配一块显存，将顶点数据预先传入到显存当中。这部分显存，被称为顶点缓冲区。
• 顶点指的是一个图形（比如三角形），它的顶点位置数据，这个数据可以直接存在数组中或者将其缓存到GPU内存中。

3.5 管线

在OpenGL下渲染图形，就会经历一个一个节点，而这样的操作，可以理解为管线。比如流水线，每个任务类似流水线般执行，任务之间有先后顺序。它是一个抽象的概念，显卡在处理数据的时候是按照一个固定的顺序来的，这个顺序严格执行，不能被打破。

3.5.1 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、裁剪等诸多功能的固定shader（程序段）程序来完成，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，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使用场景很丰富，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的（可编程管线）。

3.5.2 着色器程序Shader（一段程序代码，给GPU执行的）

• 将固定渲染管线架构变成了可编程渲染管线。用来操作GPU芯片，做计算。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：顶点着色器（VertexShader）、片段(元)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，到OpenGLES 3.0，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，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。

3.5.3 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）
• 是OpenGL中用来处理每个顶点属性的程序。每个顶点数据，都会执行一次顶点着色器，这是并行的，顶点着色器运行中无法访问其它顶点的数据。
• 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。

3.5.4 片元着色器

• 用来处理每个像素点的颜色计算和填充。逐像素运算，每一个像素点都会执行一次片元着色器

3.6 GLSL

OpenGL着色语言（OpenGL Shading Language）是用来在OpenGL中着色编程的语言，或者是自定义程序，在图形卡的GPU上执行的，提供开发者对绘图管线更多的直接控制。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（片元着色器）

3.7 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。
光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程（比如三个顶点构成了一个三角形，光栅化可以看成是铺满这个三角形所包含的区域，为每一个区域分配颜色值和深度值）。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。

3.8 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，为了让场景更逼真，这里的图片就是纹理，为了专业，OpenGL中叫纹理。

3.9 混合

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上的颜色进行混合，混合的算法可以通过OpenGL的函数进行制定，但是OpenGL提供的混合算法是有限的，可以通过片元着色器进行实现。

3.10 变换矩阵

例如图形想发生平移，缩放，旋转变换，就需要使用变换矩阵。

3.11 投影矩阵

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系啊进行绘制。比如照镜子，物品在地上的投影。

3.12 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，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，窗口可能会显示出不完整的图像。
  -为此，常规的OpenGL程序至少有两个缓冲区，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，因此，引入了三缓冲区技术，在等待垂直同步时，来回交替两个离屏的缓冲区，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。