OpenGL--快速了解OpenGL下的专业名词

OpenGL上下文 [context]

• 在应用程序调用任何OpenGL的指令前，需要安排首先创建一个OpenGL上下文。这个上下文是一个非常强大的状态机，保存了OpenGL的各种状态，这也是OpenGL执行的基础。
• OpenGL的函数不管在那个语言中，都是类似C语言一样的面向过程的函数，本质都是对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的相关调用封装为一个面向对象的图形API。
• 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上下文，在不同的线程中使用不同的上下文，上下文中共享纹理，缓冲区等资源。这样的方案会反复切换上下文，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.因此具有以下特点:

* 有记忆功能,能记住其当前状态
* 可以接收输入,根据输入的内容和自己的原先状态,修改自己当前状态,并且可以有对应输出
* 当进入特殊状态(停机状态)的时候,便不再就收输入,停止工作

类推到OpenGL中的理解:

• OpenGL可以记录自己的状态(如当前所使用的颜色,是否开启了混合功能等)

• OpenGL可以接收输入(当调用OpenGL函数时,实际上可以看成OpenGL在接收我们的输出),例如我们调用glcolor31,则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的"当前颜色这个状态"

• OpenGL可以进入停止状态,不在接收输入.在程序退出前,OpenGL总会先停止工作的

渲染 (Rendering)

• 将图形/图像数据转换为3D空间图像操作

顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

• 画图一般是先画好图像的骨架,然后在往骨架里面填充颜色,这对于OpenGL也是一样的.顶点数据就是要画图像的骨架,和现实中的不同的是,OpenGL中的图像都是由图元组成,在OpenGL中有3种类型的图元:点、线、三角形.这些顶点数据最终是存储哪里的呢?开发者可以选择设定函数指针,在调用绘制方法时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.而性能最高的做法是,提前分配一些显存,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

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、坐标转换、裁剪等诸多更能的固定shader程序来完成,来帮助开发者来完成图形的渲染,而开发者只需传入相应的参数,就能快速完成图形的渲染.

着色器程序shader

• 将固定渲染管道架构变为可编程渲染管线.OpenGL在实际调用绘制函数前,还需要指定一个由shader编译成的着色器程序.常见的着色器主要有:
  • 顶点着色器(VertexShader)
  • 片元着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader) (片元着色器和像素着色器只是在OpenGL和DX中的叫法不同)
  • 几何做色器(GeometryShader)
  • 曲面细分着色器(TessellationShader)
• 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.在通过图元装配,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化为栅格化数据.最后,将栅格化数据传入片段着色器进行运算.片段着色器会对栅格化数据中的给一个像素进行运算,并决定像素的颜色.

顶点着色器(VertexShader)

• 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,顶点着色器是逐定点运算的程序,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数据.
• 一般来说典型的需要计算顶点属性主要包括顶点坐标转换,逐顶点光照运算等.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

片元着色器程序(FragmentShader)

• 一般用来处理图形中每个像素点的颜色计算和填充
• 片元着色器是OpenGL中用于计算片段(像素)颜色的程序.片元着色器是逐像素运算的程序,也就是每个像素点都会执行一次片元着色器,当然也是并行的

GLSL(OpenGL Shading Language)

• OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language)是用来在OpenGL中着色器编程语言.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:试图转换、投影转换等.GLSL(OpenGL Shading Language)的着色器代码组成2个部分:VertexShader(顶点着色器)和fragment(片元着色器).

光栅化(Rasterization)

• 是把顶点数据转换为片元的过程,具有将图形转化为一个个栅格化组成的图像的作用,特点是每个元素对应一个帧缓冲区的一像素
• 光栅化其实就是一种将集合图元变为二位图像的过程.该过程包含了两个部分的工作.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:分配一个元素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化为屏幕上用于对应位置的像素及用户填充像素的颜色,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

• 纹理可以简单的理解为一张图片,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,而这里使用的图片,就是常说的纹理.

混合

• 在测试阶段后,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点.

变换矩阵(Transformation)

• 在图形想要发生平移、缩放、旋转变换时,就需要使用到变换矩阵

投影矩阵

• 用于将3D坐标转换为二维屏幕坐标,实际线条也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.如窗口.如果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
• 如果每个窗口只有一个缓冲区,那么在绘制过程中图片进行了刷新,窗口可能显示不出来完整的图像
• 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后,通过将屏幕缓冲区和离屏缓冲区进行交换,实现图像在屏幕中显示.
• 由于显示器的刷新是逐步进行的,为了防止交换缓冲区的时候屏幕上下区域分属于两个不同的帧,交换一般会等待显示器刷新完成信号,在显示器两次刷新间隔中进行交换,这个信号别成为垂直同步信号,这个技术成为垂直同步
• 使用了缓冲区域和垂直同步技术后,由于总是要等待缓冲区交换后在进行下一帧的渲染,使得帧率无法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进行交换,实现充分利用硬件性能的目的.