快速了解图形API

OpenGL(Open Graphics Library)

    OpenGL是⼀个跨编程语⾔言、跨平台的编程图形程序接⼝口，它将计算机的资源抽象称为⼀个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为⼀个的OpenGL指令。

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)

    OpenGL ES是 OpenGL三维图形 API 的⼦子集，针对⼿手机、 PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备⽽而设计，去除了了许多不不必要和性能较低的API接⼝口。

DirectX 

    DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不不是⼀个单纯的图形API. 最重要的是DirectX是属于 Windows上⼀个多媒体处理理API。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，可以分为四⼤大部分，显示部分、声⾳音部分、输⼊入部分和⽹网络部分。 

Metal 

    Apple为游戏开发者推出了了新的平台技术Metal，该技术能够为 3D 图像提⾼高 10 倍的渲染性能。Metal是Apple为了了解决3D渲染⽽而推出的框架。

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OpenGL名词解析 

1. 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。或者说，状态机是一种行为，说明对象在其生命周期中相应事件所经历的状态序列以及对那些状态事件的响应，所以状态机具有以下的特点：

  有记忆功能，可以记住当前的状态。

  可以接收输入，根据输入的内容和自己原先的状态修改自己当前状态，并且可以有对应的输出。

  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。

2. OpenGL 上下⽂(context)

        在应用程序调用任何 OpenGL 指令之前，需要安排创建一个 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 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）

    将数学和图形数据转换成3D空间图像的操作叫做渲染。    

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

    画图时，一般是先画好图像的骨架，然后再往骨架里填充颜色，这对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架，和现实中不同的是，OpenGL中的图像都是由图元组成的。在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三角形。

        那么这些顶点数据存储在哪儿呢？开发者可以选择设定函数指针，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当中的，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。这部分显存，称之为顶点缓冲区。

        顶点指的是我们绘制一个图形时，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

5. 管线

    在OpenGL 下渲染图形,就会经历一个一个节点，而这样的操作可以理解为管线。大家可以想象成流水线，每个任务类似流水线般执行。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。这个顺序就是渲染流程，而管线指的是这个过程。

6. 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些包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定shader程序来完成，来帮助开发者来完成图形的渲染。 而开发者只需要传入相应的参数，就能快速完成图形的渲染.。类似于iOS开发会封装很多API，而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。

    在固定管线下，使用固定存储着色器，固定存储着⾊器由GLTools的C++类GLShaderManager管理，它们能够满⾜进⾏基本渲染的基本要求。

    但是由于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。

7. 着色器程序Shader

     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。Shader 就是一个代码段，在固定渲染管线架构下，Shader 是已经被封装好了的，开发者直接调用即可。在可编程架构下，需要开发者自己编写Shader程序。常见的着色器主要有顶点着色器（VertexShader）、片段（元）着色器（FragmentShader）/ 像素着色器（PixelShader）、几何着色器、曲面细分着色器等。可惜的是，直到OpenGL ES 3.0，依然只支持了顶点着色器和片段着色器这两个最基础的着色器。

    OpenGL在处理shader时，和其他编译器一样，需要通过编译、链接等步骤，生成着色器程序（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。

顶点着⾊器(VertexShader)：

    顶点着⾊器是OpenGL中⽤于计算顶点属性的程序。

    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系的运算，就是在这里发⽣的。

    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。

片元着色器(FragmentShader)：    

    一般用来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，也就是说每个像素都会执行一次片段着色器，这个过程也是并行的。

8. GLSL (OpenGL Shading Language)

     OpenGL着色语言（OpenGL Shading Language）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 （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、投影转换等。GLSL（GL Shading Language）的着色器代码分成2个部分：Vertex Shader（顶点着色器）和 Fragment（片断着色器），有时还会有Geometry Shader（几何着色器）。

9. 光栅化(Rasterization)

    光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。具有将图转化为⼀个个栅格组成的图象 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。第⼀部分工作：决定窗⼝坐标中的哪些整型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。

    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。这是⼀个将模拟信号转化为离散信号的过程。

10. 纹理(Texture)

    纹理可以理解为图⽚。 在渲染图形时需要在顶点围成的区域中填充图⽚，使得场景更加逼真。⽽这⾥使⽤的图⽚，就是常说的纹理。只是在OpenGL，我们更加习惯叫纹理，⽽不是图⽚。

11. 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。

12. 矩阵

    变换矩阵(Transformation)：例如图形想发⽣平移、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。

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。

    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。

    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，实现图像在屏幕上显示。

    由于显示器的刷新⼀般是逐⾏进⾏的，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，交换一般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器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，实现充分利利⽤硬件性能的⽬的。