OpenGL 专业名词解析

最近在学习OpenGL，所以写点学习笔记记录一下OpenGL 的学习过程。如有问题之处，还望大家不吝赐教。

• OpenGL 上下文（context）

  在应用程序调用任何OpenGL的指令之前，需要先创建一个OpenGL的上下文。OpenGL对象在渲染的时候需要一个Context，这个Context记录了OpenGL渲染需要的所有信息，因此大多数OpenGL对象都需要在使用前把该对象绑定到Context上。

  Context 是一个非常抽象的概念，我们可以把它理解成一个包含了所有OpenGL状态的对象。如果我们把一个Context销毁了，那么OpenGL也不复存在。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 上下文这个状态机中的某个状态或者对象进行操作。

  由于OpenGL 上下文是一个庞大的状态机，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，更加合理高效的。

• OpenGL 状态机

  状态机是理论上的一种机器，它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响应事件所经历的状态序列以及对那些状态事件的响应。

  状态机具有以下的特点：

  1. 它有记忆的能力，能够记住自己当前的状态。
  2. 它可以接收输入，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 可以有对应输出。
  3. 当它进入某个特殊的状态（停机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。

  理论说起来很抽象，但实际上是很好理解的。首先，从本质上讲，我们现在的电脑就是典型的状态机。可以对照理解：

  1. 电脑的存储器（内存、硬盘等等），可以记住电脑自己当前的状态（当前安装在电脑中的软件、保存在电脑中的数据，其实都是二进制的值，都属于当前的状态）。
  2. 电脑的输入设备接收输入（键盘输入、鼠标输入、文件输入），根据输入的内容和自己的状态（主要指可以运行的程序代码），修改自己的状态（修改内存中的值），并且可以得到输出（将结果显示到屏幕）。
  3. 当它进入某个特殊的状态（关机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。

  OpenGL也可以看成这样的一种机器。让我们先对照理解一下：

  1. OpenGL可以记录自己的状态（比如：当前所使用的颜色、是否开启了混合功能等）。
  2. OpenGL可以接收输入（当调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接收我们的输入），根据输入的内容和自己的状态，修改自己的状态，并且可以得到输出（比如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的“当前颜色”这个状态，我们调用glRectf，则OpenGL会输出一个矩形）。
  3. OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。这个可能在我们的程序中表现得不太明显，不过在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的。

  比如可以使用glColor 函数来选择一种颜色，以后绘制的所有物体都是这种颜色，除非再次使用glColor 函数重新设定。
  可以使用glTexCoord 函数来设置一个纹理坐标，以后绘制的所有物体都是采用这种纹理坐标，除非再次使用glTexCoord 函数重新设置。
  可以使用glBlendFunc 函数来指定混合功能的源因子和目标因子，以后绘制的所有物体都是采用这个源因子和目标因子，除非再次使用glBlendFunc 函数重新指定。
  可以使用glLight 函数来指定光源的位置、颜色，以后绘制的所有物体都是采用这个光源的位置、颜色，除非再次使用glBlendFunc 函数重新指定。

  OpenGL是一个状态机，它保持自身的状态，除非用户输入一条命令让它改变状态。
  颜色、纹理坐标、源因子和目标因子、光源的各种参数，等等，这些都是状态，所以这一句话就包含了上面叙述的所有内容。此外，“是否启用了光照”、“是否启用了纹理”、“是否启用了混合”、“是否启用了深度测试”等等，这些也都是状态，也符合上面的描述：OpenGL会保持状态，除非我们调用OpenGL函数来改变它。

• 渲染
  将数学和图形数据转换成3D空间图像的操作叫做渲染（Rendering）。

• 顶点数组和顶点缓冲区
  顶点指的是我们在绘制一个图形时,它的顶点位置数据。顶点数据是由GPU来处理的。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，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。

• 管线
  在OpenGL中，任何事物都在3D空间中，而屏幕和窗口却是2D像素数组，这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应屏幕的2D像素。3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线（Graphics Pipeline，大多译为管线，实际上指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程）管理的。图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。

  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。

• 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。

• 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。

  在 OpenGL ES 3.0后，可编程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
  顶点着色器是一组指令代码，这组指令代码在顶点被渲染时执行，一般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。

• 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。

• 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）。

• 光栅化Rasterization
  官方翻译成栅格化或者像素化。其实就是把矢量图转化为像素点的过程。

  我们屏幕上显示的画都是由像素组成的，而三维物体都是由点线面构成的。要让点线面变成能在屏幕上显示的像素，就需要Rasterize这个过程。就是从矢量的点线面的描述，变成像素的描述。

  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。光栅化过程产生的是片元。

• 纹理
  纹理，英文是texture，中文可以翻译成纹理、纹理图、纹理映射等等一堆东西。我们通常说的纹理，指的是一张二维的图片，把它像贴纸一样贴在物体上面，让物体看起来像我们贴纸所要表现的那样。

  纹理可以理解为图片，大家在渲染图形时需要在其表面填充图片，从而使得场景更加逼真，而这里使用的图片，就是常说的纹理。但是在OpenGL中，我们更加习惯叫纹理，而不是图片。

• 混合 Blending
  混合是将源色和目标色以某种方式混合生成特效的技术。混合常用来绘制透明或半透明的物体。混合就是把两种颜色混在一起，具体一点，就是把某一像素位置原来的颜色和将要画上去的颜色，通过某种方式混在一起，从而实现特殊的效果。

  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，当然性能会比原生的混合算法差一些。

• 变换矩阵 Transformation
  如果图形想发生平移、缩放、旋转变换，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。