OpenGL 入门第一课-入门知识

OpenGL 起源

“OpenGL起源于Silicon Graphics公司和它的IRIS GL” ,GL(Graphics Library) ->图形库的意思.在OpenGL文档中,我们还能经常看到"the GL" 的术语("the Graphics Library").初见成型的OpenGL 第一个版本是1992年发行被被标记为OpenGL 1.0.

四大图形API简介

OpenGL

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

OpenGL ES

全称：OpenGL for Embedded Systems，是OpenGL三维图形API的子集，针对手机、PDA、游戏主机等嵌入式设备而设计开发的一套程序接口，去除了OpenGL中许多不必要和性能较低的API接口。

DirectX

DirectX是由很多API组成的图形API，并不是一个单纯的图形API，只属于Windows上一个多媒体处理API，不是跨平台框架，按照性质分类，分为显示、声音、输入和网络四大部分，对于iOS开发者，只需要了解有这么一个框架即可。

Metal

Metal是Apple为游戏开发者推出的新的平台技术框架，该技术能够为3D图像提高10倍的渲染性能，Metal技术的出现，就是Apple为了解决3D渲染而推出的框架，对于iOS开发者来说，这项框架技术的学习很有必要，而且非常重要。

OpenGL 能解决什么问题

OpenGL是用来渲染图形的,能够高性能地将图片显示到屏幕上去.它解决问题的本质是利用设备的GPU来高效地渲染图形图像.

1. 在游戏开发中,对于游戏场景/游戏人物的渲染
2. 在音视频开发中,视频解码后的数据渲染
3. 地图引擎中,对地图上的数据渲染
4. 动画中实现动画的绘制
5. 视频的滤镜

OpenGL的一些关键性的专业术语

.图元(Primitives)

• OpenGL中基本渲染单元称为图元,OpenGL支持许多图元类型,但是三种最基本的可渲染图元为:点(points),线(lines),三角形;(triangles).
• 我们在品目上看到渲染任何东西都是点/线/三角形的集合.
• 在应用中一般会把复杂的表面(surfaces)拆解成许多三角形然后发送给OpenGL通过一个叫做光栅器(rasterizer: 一个专门用来将三维形式的三角形转换为在荧屏上进行渲染的像素的硬件 )的加速器进行渲染

像素(pixels)

• 像素是指由图像的小方格组成的，这些小方块都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定该图像所呈现出来的样子。
• 可以将像素视为整个图像中不可分割的单位或者是元素。不可分割的意思是它不能够再切割成更小单位抑或是元素，它是以一个单一颜色的小格存在 ^[1] 。每一个点阵图像包含了一定量的像素，这些像素决定图像在屏幕上所呈现的大小。

(注:通过对上面两个东西的理解,我们可以把图元和像素分别抽象成:细胞,和原子,一个人由不同的细胞组成,二细胞由不可再拆分的原子组成)

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。光栅化过程产⽣⽚元

管线(pipelines)

• 在OpenGL下渲染图形,就会有经理一个一个节点,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。就像⽔从一根管⼦的⼀端流到另一端，这个顺序是不不能打破的

固定管线/存储着色器

• 早起的OpenGL版本,封装了很多种着色器程序块内置的一段包含了光照/坐标变换/裁剪等诸多功能的固定shader(着色器),来帮助开发者完成渲染,开发者只需要传入对应的参数,就可以快速完成渲染,
• 由于OpenGL 使用场景非常丰富,固定管线和存储着色器无法实现所有业务,这时候将相关部分开放成可编程

着色器(shader)

• 全面地将固定管线架构编程了可编程渲染管线.因此OpenGL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),⼏何着色器 (GeometryShader)，曲⾯细分着⾊器(TessellationShader),

• OpenGL在处理理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;

顶点数组[VertexArray] & 顶点缓冲区[VertexBuffer]

• 画图一般会先画好图像的骨架,然后在往里填充颜色,OpenGL的实现原理也是这样,顶点数据就是图形图像的骨架,和显示有区别的是,OpenGL中的图像由图元组成,
• 顶点数组的数据存放的地方就叫做顶点缓冲区,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放在内存中的,但是性能更高的做法是:提前分配一块显存,将顶点数据预先存入到显存中,这部分显存就被称为顶点缓冲区

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色器当然这并行的,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)

• 偏远着色器在OpenGL中用于计算片段(像素)的颜色的程序,片段着色器是逐个像素运算的(并行),每一个像素都会被计算一遍.

纹理

• 纹理可以理解为图片,在渲染图形时,需要为其编码填充颜色,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,OpenGl中的专业术语叫做:纹理,而不是图片;

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存区中的颜色进行混合,混合的算法可以通过OpenGL的函数进行指定,但是OpenGL提供的混合函数是有限的,如果需要复杂的混合算法,一般可以通过像素着色器进行实现,但是没有原生的混合算法好.

变换矩阵(Transformation)

• 图像发生平移/缩放/旋转 等变化就需要使用到变换矩阵

投影矩阵(Projection)

• 将用于3D坐标转换为二维屏幕坐标,实际线条也在二维坐标下绘制,

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，保存了了OpenGL中的各种状 态，这也是OpenGL指令执⾏行的基础
• OpenGL的函数不管在哪个语⾔言中，都是类似C语⾔言一样的⾯面向过程的函 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生较的开销，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.

.OpenGL 状态机

• 状态机是理论上的一种机器.这个非常难以理解.所以我们把这个状态机这么理解:状态机描述了⼀个对象在其⽣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:

1.记忆功能,记住当前的状态;
2.可以根据输入的内容,更改自身当前的状态内容,并且再输出;
当我们调用OpenGL的函数时,实际可以看成OpenGL框架在接受我们的输入,例如我们调用glColor3f,OpenGL接收到这个输入,就会修改自己的"当前颜色"这个状态值;
3.当进入特殊状态(例如停机),便不再接受输入,停止工作;
在退出程序的时候OpenGL会先停止工作;

渲染[Rendering]

• 将(图形/图像)数据转换成3D空间的图像操作叫做渲染

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.如果每个屏幕只有一个缓冲区,那么可能会发生,在绘制的过程中,屏幕进行刷新,那样子的话,窗口可能会出现不完整的图像;
• 为了解决这个问题,常规的情况下,会有两个缓存区,当前屏幕显示的叫做屏幕缓冲区,没有显示的叫做离屏缓冲区.当离屏缓冲区渲染完成后,将两个缓冲区交换,从而实现屏幕显示内容的变化
• 由于屏幕的刷新是逐行进行的,为了防止交换缓冲区的时候,屏幕的上下部分显示两个不同帧的内容,因此交换一般会等显示器刷新的信号,显示器两次刷新的间隔进行交换,这个信号被称为垂直同步信号,这个技术被称为垂直同步.
• 使用了垂直同步技术,由于总是需要等待缓冲区交换完成后,再进行下一帧内容的渲染,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,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,充分利用硬件性能;

OpenGL Shading Language(着色器语言)

OpenGL Shading Language,简写:GLSL,是用来在OpenGL中着色编程的语言,他们是在图形卡的GPU上(Graphics Processor Unit)执行的,代替了固定管线的一部分,使得渲染管线中,不同层次具有可编程性,比如:视图转换,投影转换等.
GSLS的着色器代码分为两个部分:Vertex Shader (顶点着色器) Fragment Shader(片段着色器)