初识图形 API

• OpenGL（Open Graphics Libary）是一个跨编程语言、跨平台的编程图形成俗接口，它将计算机的资源抽象成为一个个 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，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

• 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 为了解决 3D 渲染而推出的框架

专业名词

• 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的上下⽂文。这个上下⽂是⼀个⾮常庞⼤的状态机，保存了了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。这样的⽅方案，会⽐比反复切换上下⽂，或者⼤量修改渲染状态，更加合理高效。

• OpenGL 状态机

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。具有以下特点：

1. 记忆功能，能记住其当前的状态。
2. 可以接收输入，根据输入的内容和自己原先状态，修改自己当前状态，并且可以有对应输出。
3. 当进入特殊状态（停机状态）的时候，便不再接收输入，停止工作。

• 渲染（Rendering）：

将图形/图像数据转换为 2D 空间图像操作

• 顶点数组（VertexArray）和顶点缓冲区（VertextBuffer）：

OpenGL 中的图像都是由图元组成，在 OpenGL ES 中，由三种类型的图元：点、线、三角形。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。

• 管线

在 OpenGL 下渲染图形，就会经历一个一个节点，而这样的操作就可以理解为管线。

• 固定管线/存储着色器

封装好的着色器程序块 API，功能固定，只需要调用，不能自定义。

• 顶点着色器（VertexShader）

是 OpenGL 中用于计算顶点属性（包括顶点坐标变换、逐顶点光照运算）的程序。逐顶点运算，每个顶点数据都会执行一次顶点着色器（并行），运算过程中无法访问其他顶点的数据。一般用来处理图形每个顶点旋转、平移、投影等的变化。

• 片元着色器

是 OpenGL 中用于计算片段（像素）颜色的程序。是逐像素运算的程序，即每个像素都会执行一次片段着色器（并行）。一般用来处理图形中每个像素点颜色的计算和填充。

• GLSL（OpenGL Shading Language）

是用来在 OpenGL 中着色编程的语言，他们是在图形卡的 GPU（Graphic Processor Unit 图形处理单元）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。GLSL 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）。

• 光栅化（Rasterization）

光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程，具有将图转换为一个个栅格组成的图像的作用，片元中的每个元素对应帧缓冲区的一个像素。

将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含两部分：1. 决定窗口坐标中俄哪些整形栅格区域被基本图元所占用；2. 分配一个颜色值和深度值到各个区域。光栅化过程产生的是片元。

把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转化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。

• 纹理

在渲染图形时需要在其编码填充图片，为了使得场景更加逼真。这里使用的图片，就是常说的纹理。

• 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OpenGL提供的混合算法有限。如果需要更加复杂的混合算法，一般可以通过片段着⾊器进⾏实现，当然性能会⽐原⽣的混合算法差⼀些。

• 变换矩阵（Transformation）

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。

• 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。

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。

常规的 OpenGL 程序至少会有两个缓冲区。显示在屏幕上的成为屏幕缓冲区，没有显示的称为离屏缓冲区。子啊一个缓冲区渲染完成后，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都是逐行进行的，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，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，引入了三缓冲技术，在等待垂直同步时，来回交替渲染两个离屏的渲染区，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。