如下图所示是OpenGL的一个典型应用场景
OpenGL典型应用场景
设备驱动程序使用OpenGL指令集向图像硬件发出命令,硬件收到后,将内容显示在屏幕上.
OpenGL是一个C风格的图形库,没有类和对象的概念,只有大量的函数.想要对OpenGL有更深的了解,首先要了解一下OpenGL的一些专有名词.
OpenGL状态机
OpenGL自身是一个巨大的状态机,可以类比面向对象编程中一个对象在其生命周期开始到结束过程中对象的变化.
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.它具有以下特定
1 有记忆功能,能记住其当前的状态 (如当前使用的颜色、是否开启混合功能等)
2 可以接受输入,根据输入的内容和自己的原先状态,修改自己当前状态,并且可以有对应的输出
3 当进入特殊状态(停机状态)的时候,便不再接受输入,停止工作
OpenGL上下文
OpenGL上下文很好的展示了OpenGL状态机的特性.在应用程序调用任何OpenGL的指令之前,首先会创建一个OpenGL的上下文,这个上下文就是一个非常庞大的状态机.保存OpenGL中的各种状态,
OpenGL函数的操作,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,因此通过对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状态机非常巨大,所以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.
帧缓冲区
帧缓存不是一片缓存,可以把它当成一个抽象概念.它有scissor、alpha、stencil、depth这些缓存组合,在图像进行输出时,它相当于OpenGL中的画板,结合画布(可以是纹理或渲染缓冲区)将图像进行展示处理,放置这些画布的位置被称为帧缓冲区的附着
附着
帧缓冲区可以分为三种类型的附着:颜色附着、深度附着、模板附着.而这三种附着对应的存储区域被称为颜色、深度、模板缓冲区.颜色附着输出绘制图像的颜色数据,深度附着输出绘制图像的深度数据,模板附着输出模板数据
渲染
将图形/图像数据转换成3D空间图像的操作
顶点数组和顶点缓冲区
顶点数组 : 用来存储图形的顶点数据的数组,存储在内存当中.
顶点缓冲区 : 在调用绘制方法时候,为提高性能,提前分配一块内存,将顶点数据预先传入到显存当中,这部分显存,就被称为顶点缓冲区.
渲染管线
也成为渲染流水线/像素流水线/像素管线,是显示芯片内部处理图形信号相互独立的并行处理单元,是GPU的重要组成部分.一个流水线是一序列可以并行和按照固定顺序进行的阶段.每个阶段都从他的前一阶段接受收入,然后把输出发给随后的阶段.渲染管线大致分为顶点变换、图元装配、光栅化、插值、贴图、着色、光栅化几个阶段.渲染管线的数量是决定显示芯片性能和档次的最重要的参数之一,一般是以像素渲染流水线的数量×每管线的纹理单元数量来表示,一般来说在相同的显示核心架构下，渲染管线越多也就意味着性能越高
固定管线/存储着色器
早期的OpenGL版本中封装了内置了光照、坐标变换、裁剪等诸多功能的多种着色器程序块.开发者进行图形渲染图形时,只需要传入相应的参数就可以实现功能,不需要关心底层的实现原理.但随着使用场景的丰富,固定管线或存储着色器无法完成每一个业务,这时将相关部分开发成可编程.
着色器程序
将固定渲染管线架构变成可编程渲染管线.OpenGL在实际调用绘制函数之前,还需要指定一个由着色器编译成的着色器程序.OpenGL在处理着色器时,和其他编译器一样,通过编译、链接等步骤,生成着色器程序,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个像素进行运算,并决定像素的颜色
常见的着色器有 顶点着色器、片段着色器/像素着色器、集合着色器、曲面细分着色器.
顶点着色器
着色器程序--描述顶点上执行操作的顶点着色器程序源代码/可执行文件.
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处理图形每个顶点矩阵变换: 旋转/平移/投影等、计算光照公式生成逐顶点颜色、生成/变换纹理坐标,顶点坐标由自身坐标系转换到归一化坐标系的运算,也是在这里发生的
片元着色器程序
一般用于处理图形中每个像素点颜色的计算和填充
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.也就是说每一个像素都会执行一次片段着色器,当然也是并行的
GLSL OpenGL Shading Language
OpenGL着色器语言是用来在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上执行,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.
光栅化
是吧顶点数据转化为片元的过程,具有将图转化为一个个栅格组成的图像的作用,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集合图元变为二维图像的过程.该过程包含两部分工作.第一部分工作:决定窗口坐标中的哪些整形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.片元在光栅化过程产生
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,就是将模拟信号转化为离散信号的过程
纹理
纹理可以理解为图片,大家在渲染图像时需要在其编码填充图片,为了使得场景更加逼真.而这里使用的而图片就是常说的纹理
混合
在测试阶段之后,如果像素依然没有被提出,那么像素的颜色将会和帧缓冲区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
变换矩阵
图形想发生平移 缩放 旋转变换,就需要使用变换矩阵
矩阵投影
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
渲染上屏/交换缓冲区
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,如果每一个窗口只有一个缓冲区,那么在绘制过程中屏幕进行刷新,窗口可能显示出来不完整的图像,为了解决这个问题,常规的OpenGL程序至少都有两个缓冲区.显示在屏幕上的成为屏幕缓冲区,没有显示的成为离屏缓冲区.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,这个信号称为垂直同步信号,这个技术称为垂直同步.使用了双缓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,是的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,在等待垂直同步信号时,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叫喊,实现充分利用硬件性能的目的
网友评论