一、了解 OpenGL ES

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总

OpenGL ES

• OpenGL ES是OpenGL的子集
• 是针对嵌入式设备及移动终端设备的高级3D图形应用程序，例如iOS、Android、Windows等
• OpenGL ES 是跨平台的，不会提供窗口相关方法，需要系统各自提供载体

在本文中，主要讲述的是iOS中的OpenGL ES，OpenGL ES API、OpenGL ES Programming Guide

OpenGL ES渲染流程
下图出自苹果官方文档OpenGL ES as a Client-Server Architecture

OpenGL ES渲染流程

OpebGL ES的渲染主要分为两部分：CPU和GPU

• CPU部分
  • app代码通过OpenGL ES API，会调度OpenGL ES Framework
  • 通过OpenGL ES client 调度 OpenGL ES server，将顶点数据等传递到GPU
• GPU部分:做一些图形硬件的处理，例如光栅化、显示等

OpenGL ES 图形管道

OpenGL ES 图形管道有以下两种图示，其中原理都是一致的，只是描述方式不同
图示一

图形管道-图示1

• API获得顶点数据，将顶点数据从内存中拷贝至顶点缓冲区（显存）
• 拿到数据之后，通过attribute通道传递至顶点着色器，同时，纹理坐标通过Texture通道传递到顶点着色器和片元着色器
• 然后，图元装配，即图元的连接方式，一共有9种，常用的有6种，此步骤将顶点变换为图形
• 光栅化：确定图形与屏幕对应的位置
• 片元/片段/像素着色器：处理对应像素点的颜色值
• 在将处理好的每个像素点的颜色值存储到帧缓存区，然后在显示器中显示
• API：可以通过API操作顶点缓冲区、顶点着色器、纹理坐标、片段着色器

Apple官方图示

来自苹果官方文档OpenGL ES as a Graphics Pipeline

图形管道-苹果官方图示

• App：提供图元装配顶点信息，图片信息
• Vertex（顶点着色器）：处理顶点 -- 图形变换（旋转、缩放、平移）
• Geometry（图元装配）：图元装配 + 裁剪（超出屏幕部分被裁剪）
• Fragment（片元着色器）：纹理处理 + 雾化处理
• Framebuffer Operation（帧缓冲区）：透明度混合、模板、深度测试；最后在混合，这些操作都是在即将显示时，在帧缓冲区中完成的动作

顶点着色器

简单来说就是处理顶点的着色器程序，如图所示

顶点着色器输入-输出

• 输入，有3种方式
  • 通过attribute通道输入顶点数据，提供每个顶点的数据
  • 通过uniform通道输入统一变量，即顶点/片元着色器中使用的不变的数据
  • 采样器：表示顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型
• 输出：经过处理的最终顶点数据，有2种
  • gl_Position，是GLSL 的内建变量，是将处理后的最终顶点数据赋值给它
  • gl_PointSize，是指点的尺寸，即可以在顶点着色器中修改每个点的大小，使用率较低

顶点着色器处理的业务

• 矩阵变换位置
• 计算光照公式生成逐顶点颜色（也可以片元着色器）
• 生成/变换纹理坐标：片元着色器是没有办法传入属性即attribute的，可以通过顶点着色器桥接，间接将纹理坐标属性传递到片元着色器

顶点着色器GLSL代码示例

• attribute、uniform 表示client与server之间的通道
• 其中的vec4、vec2都是向量类型，表示四维向量和二维向量
• mat4：4*4矩阵
• varying是修饰符：通过varying将纹理坐标传入到片元着色器
• lowp：低精读
• main中的操作
  • 实现了纹理坐标的桥接
  • 实现了顶点旋转矩阵的相乘：列向量 与 列矩阵 相乘，得到旋转后的顶点坐标
  • 将上述得到的顶点坐标，赋值给gl_Position

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate; 
uniform mat4 rotateMatrix; 
varying lowp vec2 varyTextCoord; 
void main()
{
    varyTextCoord = textCoordinate;
    vec4 vPos = position;
    vPos = vPos * rotateMatrix;
    gl_Position = vPos; 
}

图元装配、光栅化

• 图元装配：将顶点数据计算成一个个图元
• 光栅化：将图元转化为一组二维片段的过程，主要是由于屏幕是2D的，所以转换的像素点也是二维的

片元着色器

下图表示片元着色器中有哪些输入和输出

片元着色器输入-输出

• 输入同顶点着色器一样，有3种方式
  • 由顶点着色器桥接传递过来的纹理坐标等
  • 通过uniform通道输入统一变量，即顶点/片元着色器中使用的不变的数据
  • 采样器：表示顶点着色器使用纹理的特殊统一变量类型，例如纹理就是通过采样器传递
• 输出：某个像素点经过片元着色器处理后的结果

片元着色器业务
- 计算颜色
- 获取纹理值
- 往像素点中填充颜色值（纹理值/颜色值）

片元着色器GLSL代码示例

• varying：必须和顶点着色器中一模一样，这样才能传递纹理坐标
• sampler2D 采样器类型
• texture2D(纹理采样器，纹理坐标)：获取对应位置/坐标的颜色值，简称获得纹素
• gl_FragColor（内建变量）：将最终的颜色值赋值给它

varying lowp vec2 varyTextCoord; 
uniform sampler2D colorMap;
void main() {
gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord); }

总结

• 顶点着色器、片元着色器都是代码段，类似于iOS中的函数/方法，有返回值
  • 顶点着色器的返回值会被复制给gl_Position
  • 片元着色器的结果会赋值给gl_fragColor
• 这两个返回值都属于GLSL中的内建变量，是封装好的，直接将数据赋值给它即可
  • gl_Position：顶点着色器中某一个顶点经过一系列处理后得到的结果
  • gl_fragColor：经过片元着色器对某一个像素点来进行处理之后的结果

逐片段操作

这个过程都是GPU内部处理的，开发者并不需要关心，将处理好的数据存储到帧缓存区，最后读取帧缓存区将图形显示到屏幕上

OpenGL ES的应用

图片滤镜

• 获取图片中的每一个像素点
• 像素点做饱和度处理
• 得到新的颜色
• 将新的颜色翻入帧缓存区
• 最后进行显示

视频滤镜
原理以及处理方式是一样的（GLSL代码），视频也是一帧一帧处理的，而一帧就是一张图片

• 获得视频MP4文件
• 拿到h264（视频压缩文件） -
• 将视频解码（解压），还原成一帧一帧的图片
• 针对一帧一帧的图片进行处理

EGL(Embedded Graphics Library)

• OpenGL ES 命令需要渲染上下⽂和绘制表面才能完成图形图像的绘制
• 渲染上下⽂: 存储相关OpenGL ES状态，是一个状态机
• 绘制表面：⽤于绘制图元的表面,需要指定渲染的缓存区,例如颜⾊缓、深度和模板
• OpenGL ES API 并没有提供如何创建渲染上下文或者上下文如何连接到原生窗口系 统. EGL 是Khronos 渲染API(如OpenGL ES) 和原⽣窗⼝系统之间的接⼝. 唯⼀支持 OpenGL ES 却不支持EGL的平台是iOS. Apple 提供⾃己的EGL API的iOS实现,称为EAGL
• 因为每个窗⼝系统都有不同的定义,所以EGL提供基本的不透明类型—EGLDisplay, 这 个类型封装了所有系统相关性,用于和原生窗⼝系统接⼝