初识OpenGL中专业名词之解析

刚接触OpenGL中的专业名词还是很费解的，目前为止也是一知半解

OpenGL是什么？

严格的讲：OpenGL被定义为“图形硬件的一种软件接口”

本质上讲：它是一个3D图形和模型库，具有高度的可移植性，且具有非常快的速度

• 全名为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个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令

什么是状态机？

状态机是一个抽象的模型，表示一组状态变量的集合

特点：

• 有记忆功能，能记住其当前的状态
• 可以接收输入，根据输入的内容和自己的原先状态，修改自己当前的状态，并且可以有对应的输出
• 当进入停机状态的时候，便不再接收输入，停止工作

上下文Context

在调用指令之前创建且保存了OpenGL中的各种形态的非常庞大的状态机，是OpenGL指令执行的基础

OpenGL函数与上下文的关系

• OpenGL的函数是面向过程的函数
• 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
• 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

同一个OpenGL上下文反复切换或操作渲染，可能会产生较大的开销，造成资源的过度消耗与浪费

• 若是绘制不同的模块，可能需要使用完全独立的状态管理，使用可在应用程序中分别创建多个不同的上下文，在不同的线程中使用不同的上下文，上下文之间是共享纹理，缓冲区等资源的

渲染

• 将图形/图形数据转换成2D空间图像的操作

顶点

• 绘制图形时顶点位置数据（这个数据可以直接存储在数组中或将其缓存到GPU内存中）

顶点数据

• 即绘制的图像
• 图像：图元组成
• 图元：点，线，三角形三种类型

顶点数组（VertexArray）

• 顶点数据存储在内存中的

顶点缓冲区（VertexBuffer）

• 提前分配一块显存，顶点数据预先传入到显存中的

管线

• OpenGL渲染图形时会经历一个一个节点，且严格按照固定顺序处理的，顾可以形象称之这一系列流程为管线

着色器程序Shader

• 因将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线，OpenGL在实际调用绘制函数之前，需要指定一个由shader编译成的着色器程序
  着色器类型：

1. 顶点着色器（VertexShader）
2. 片段着色器（FragmentShader）
3. 像素着色器（PixelShader）
4. 几何着色器（GeometryShader）
5. 曲面细分着色器（VertexShader）

OpenGL在处理shader流程：

• 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进⾏绘制时，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

注：OpenGLES 3.0，依然只支持顶点着色器和片段着色器

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程序来完成
• 开发者只需要传入相应的参数,就能快速完成图形的渲染.
• 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

顶点着色器（VertexShader）

• OpenGL中用于计算顶点属性的程序
• 逐顶点运算的程序，且每个顶点数据都会并行执行一次顶点着色器，执行中无法访问其他顶点的数据
• 顶点属性主要包括逐顶点光照运算，顶点坐标自身坐标转换到归一化坐标系的运算等

片段着色器（FragmentShader）

• 用于计算片段颜色的程序
• 并行的逐像素执行一次片段着色器运算的程序
• 一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充

GLSL(OpenGL Shading Language)

• OpenGL中的着色编程语言
• 开发人员自定义程序，在图形卡的GPU上执行

光删化(Rasterization)

• 实际绘制或填充每个定点之间的像素形成线段

纹理（Texture Mapping）

• 理解为图片：即一副用来贴到三角形或多边形上的图片

混合（Blending）

• 将不同的颜色混在一起

变换矩阵（Transformtion）

• 用于图形平移，缩放，旋转变换

投影矩阵（Projection）

• 将3D坐标转换为2D屏幕坐标

渲染上屏/交换缓冲区（SwapBuffer）

• 渲染缓冲区：一般映射的是系统资源（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

注意1.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

• 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

垂直同步技术 ：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

注意2.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，使得帧率⽆无法完全达到硬件允许的最⾼⽔水平

• 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目的

窗口

• 以像素为单位进行度量的

裁剪区域

• 通过指定占据窗口的笛卡尔空间区域绘制点，线和形状的指定坐标对翻译为屏幕坐标的区域

视口

• 窗口内部用于绘制裁剪区域的客户区域即把绘图坐标映射到窗口坐标