OpenGL

初学OpenGL,接触到了许多新名词,由于之前未学习过相关的知识,所以很容易懵,此篇将记录一些常用的术语(持续补充,收录更新.)

0. 初识图形API

(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称为⼀个的对象，对这些资源的操作抽象为⼀个的指令。

 (OpenGL for Embedded Systems)是 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。

 是由很多API组成的，并不是⼀个单纯的图形API. 最重要的是是属于 Windows上⼀个多媒体处理API。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。

: Apple为游戏开发者推出了新的平台技术，该技术能够为 3D 图像提高 10 倍的渲染性能。是Apple为了解决3D渲染而推出的框架。

1. OpenGL 状态机

状态机是理论上的一种机器.这个非常难以理解.所以我们把这个状态机这么理解.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 (如当前所使用的颜⾊、是否开启了混合功能等)

    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)

    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. (在程序退出前，OpenGL总会先停⽌⼯作的)

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。

核心要点：

    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. 顶点数组和顶点缓冲区

画图一般是先画好图像的骨架, 然后再往骨架里面填充颜色, 这对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架，和现实中不同的是，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。

核心要点：

    3种类型的图元：点、线、三⻆形。

    顶点数组(VertexArray)在内存中。

    顶点缓冲区(VertexBuffer)在缓存中。

5. 管线

可以理解为流水线，该流水线有一个固定顺序的操作，需要按着这个顺序一个个执行.

固定管线: 早期的OpenGL版本封装的辅助快速开发的着色器程序块。

可编程管线: 当固定管线无法完成每个业务时，需要将与业务相关的部分变成可编程，用户根据需要自定义管线来完成业务

6.  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。

着⾊器渲染过程

    在渲染过程中，必须存储2种着⾊器，分别是顶点着⾊器、⽚元着⾊器。顶点着⾊器是第⼀个着⾊器、⽚元着⾊器是最后⼀个。顶点着⾊器中处理顶点、⽚元着⾊器处理像素点颜色。

着⾊器渲染过程

7. 顶点着色器 VertexShader

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.

核心要点：

⼀般⽤来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)。

8. 片元着色器

片元：理解为屏幕中的像素点

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颜⾊计算和填充。

 图片进行饱和度调整 -> 片元着色器进行一个个像素点的修改来实现

9. GLSL OpenGL Shading Language

可以理解为,开发者可以使用该语言，自定义着色器.

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)

10. 光栅化

光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程.分为2个过程(不可编辑).

第一个过程: 确定图像在像素范围.

第二个过程: 颜色附着上去.

11. 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.

12.  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,但是混合算法是有限的,如果需要更复杂的算法,一般可以通过像素着色器进行实现,对比性能会比原生的混合算法差一些.

 可以理解为两个图形/图像相交处的颜色，该颜色即为两个图形/图像颜色的混合.

13. 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。

14. 渲染上屏/交换缓冲区 SwapBuffer

 渲染缓冲区：可以理解为是系统的资源，例如窗口

 渲染上屏：将图像直接渲染到窗口对应的渲染缓冲区

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.

解决方法: 常规的OpenGL程序至少都会有两个缓冲区, 

屏幕缓冲区：用于显示在屏幕上

离屏缓冲区：没有显示的

在一个缓冲区渲染完成后，将屏幕缓冲区和离屏缓冲区进行交换，实现图像在屏幕上的显示

 垂直同步：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，交换一般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器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。

 三缓冲区技术：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。