一.图片API简介

• OpenGL (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。

• OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) 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而设计，去除了许多不必要和性能较低的API接口。

• DirectX 是由很多 API 组成的，DirectX 并不是一个单纯的图形 API 。最重要的是 Directx 是属于 Windows 上一个多媒体处理框架。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：显示部分、声音部分、输入部分、网络部分。

• Metal 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 为解决 3D 渲染而提出的框架。

注：
1.苹果底层渲染由 Metal 来实现
2.开发者可以使用 OpenGL 和 Metal 在 Apple 平台下实现图形渲染
3.OpenGL ES 只是比 OpenGL 减少了一部分子集
OpenGL 用于PC端 图形图像渲染(MAC,Windows)
OpenGL ES 用于 移去端(iOS, 安卓)
4.OpenGL/OpenGL ES/Metal 是利用 GPU 芯片来高效渲染图形图像

二. 名词解析

1.OpenGL状态机

状态机是理论上的一种机器，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。

特点：

• 能记忆功能，能记住其当前的状态
• 可以接收输入，修改自己当前状态，并且可以有对应输出
• 当进入特殊状态(停机状态)时，不再接收输入，停止工作

2.OpenGL上下文(context)

• 在应用程序调用任何 OpenGL 的指令之前，需要安排首先创建一个 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，当然你得首先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 的相关调用封装成为一个面向对象的图形 API 的。

• 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。

3.渲染(Rendering)

将图形/图像数据转换成 2D 空间图像操作
例：把图片/按钮/视频 -> 显示绘制到屏幕过程 （解码图片 -> 渲染）

4.顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

顶点：在绘制一个图形时，它的顶点位置数据。这个数据可以直接存储在数组中或缓存到 GPU 内存中。

顶点数组：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。

顶点缓冲区：是性能更高的做法，提前分配一块显存，将顶点数据预先传入到显存当中。

注：
顶点数组： 数据存在 内存中
顶点缓冲区：数据存在 GPU 缓存 （取数据更快）

5.着色器程序Shader

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，还需要指定一个由 shader 编译成的着色器程序。常见的着色器有 顶点着色器(VertexShader)，片段着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader)/片元着色器，几何着色器(GeometryShader)，曲面细分着色器(TessellationShader)。** OpenGL ES 只支持顶点着色器和片段着色器**

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。

注：

• 可自定义的着色器：顶点着色器 和 片段着色器
• 自定义着色器：可以进行自定义（自己基于GLSL语法来进行编写代码段）
• 自定义着色器，需要自己编译和链接shader， 生成着色器程序。

5.1顶点着色器VertexShader

用来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)

顶点着色器是 OpenGL 中用于计算顶点属性的程序。顶点着色器是逐个顶点运算的程序，并行执行，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 顶点坐标变换、逐个顶点光照运算等等。顶点坐标由自身坐标系转换到归一化坐标第的运算，就是在这里发生的。

5.2片段着色器(FragmentShader)

一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充

片段着色器是 OpenGL 中用于计算片段(像素)颜色的程序。是逐像素运行的程序，并行执行

6.管线

OpenGL 下渲染图形，就会有经历一个一个节点。而这样的操作可以理解管线。就像流水线，每个任务之间有先后顺序。管线是一个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡在处理数据的时候是按照一个固定的顺序来的，而且严格按照这个顺序。

7.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，内置了一段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定 shader 程序来完成，来帮助开发者完成图形的渲染。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。

8.GLSL(OpenGL Shading Language)

GLSL 是用来在 OpenGL 中着色编程的语言，是在图形卡的 GPU 上执行的，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、投影转换等。

GLSL的着色器代码分2个部分: 顶点着色器 和 片段着色器

9.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。

光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。片元中的每一个元素对应于帧缓冲区中的一个像素。

光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。第一部分：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：分配一个颜色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。

10.纹理

可以理解为图片。在渲染图片时需要在其编码填充图片，为了使得场景更加逼真。而这里使用的图片，就是常说的纹理。但是在 OpenGL，我们习惯叫纹理，而不是图片。

11.混合(Belending)

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 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，当前性能会比原生的混合算法差一些。

12.矩阵

12.1变换矩阵(Transformation)

例：图形想发生平移，缩放，旋转变换。就需要使用变换矩阵。

12.2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。

13.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。

为了解决这个问题，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。

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息，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。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。