图形API简介

• OpenGL（Open Graphics Library）是一个跨编程语言、跨平台的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象为一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个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的，去除了很多不必要和性能较低的API接口。
• DirectX是由许多API组成，DirectX并不是单纯的图形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：声音部分、显示部分、输入部分和网络部分。
• Metal是Apple为游戏开发者推出的新平台技术，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。

OpenGL专业名词

1. 状态机
   状态机就是一种存在于理论中的机器，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。它具有以下的特点：

• 它有记忆的能力，能够记住自己当前的状态。
• 它可以接收输入，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。
• 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。

2. 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，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，当然，你首先得把这个对象设置为当前对象。因此通过对OpenGL指令的封装，是可以将对OpenGL的相关调用封装成一个面向对象的图形API。
   由于OpenGL的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，在不同的线程上使用不同的上下文，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
   将图形、图像转换成2D空间图像操作叫作渲染（Rendering）。
4. 顶点数组和顶点缓冲区
   画图一般是先画好图像的骨架，然后再往骨架里面填充颜色，这对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架，和现实画图所不同的是，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三角形。那这些顶点数据最终是存储在哪里呢？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是存储在内存当中的，被称为顶点数组。而更高性能的做法是，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。
   顶点是指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到数组中或将其缓存到CPU内存中。
5. 着色器程序Shader
   就全面的将固定渲染管线架构变为可编程渲染管线。因此，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。常见的着色器程序有：
   顶点着色器(Vertex Shader)
   片段着色器(Fragment Shader)/像素着色器(Pixel Shader)
   几何着色器(Geometry Shader)
   曲面细分着色器(Tessellation Shader)
   直到OpenGL ES 3.0，依然只支持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，和其它编译器一样。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，再通过图元装配将顶点转换成图元，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每一个像素进行运算，并决定像素颜色。
6. 管线
   在OpenGL下渲染图形，就需要经历一个一个节点。而这样的操作可以理解为管线。管线是一个抽象的概念，之所以称为管线是因为显卡在处理数据的时候是按照一个固定顺序来的，并且严格按照这个顺序，这个顺序是不能被打破的。
7. 固定管线/存储着色器
   在早期的OpenGL版本中，它封装的很多着色器程序块内置的一段包含光照、坐标转换、裁剪等诸多功能的固定Shader程序来完成。用于帮助开发者完成图形的渲染，而开发者只需要传入固定的参数就能快速完成对图形的渲染，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。
   但是由于OpenGL的使用场景非常丰富，固定管理或者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。
8. 顶点着色器Vertex Shader
   一般用来处理图形每个顶点的变换（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，并且顶点着色器的运算过程中无法访问其它顶点的数据。
   一般来说，典型的需要计算的顶点属性包括：顶点坐标转换、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。
9. 片段着色器Fragment Shader
   一般用来处理图形中每个像素点的颜色计算和填充。
   片段着色器是OpenGL中用来计算片段（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，当然这也是并行的。
10. GLSL OpenGL Shading Language
    OpenGL着色语言是用来OpenGL着色编程的语言，也即开发人员写的短小的自定义程序，它们是在图形卡的CPU上执行，代替了固定渲染管线的一部分，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着色器代码分成2个部分：顶点着色器和片段着色器。
11. 光栅化
    转顶点数据转换成片元的过程，具有把图转化为一个个栅格组成的图像的作用。特点是每个元素对应帧缓冲区中的一个像素。
    光栅化其实是将一个几何图元变成二维图像的过程，该过程包含2个部分的工作。1：决定窗口坐标中，哪些整形栅格区域被基本图元占用；2：分配一个颜色值和一个深度值到各区域。光栅化过程产生的是片元。
    把物体的数据描述以及物体相关的颜色信息转换为屏幕上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换为离散信号的过程。
12. 纹理
    纹理可以理解为图片，大家在渲染图片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所谓的纹理。在OpenGL中，我们更习惯叫纹理而不是图片。
13. 混合
    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提供混合的算法是有限的。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。
14. 矩阵
    变换矩阵：图形想发生平移、缩放、旋转变换时，就需要使用变换矩阵。
    投影矩阵：用于将3D坐标转换为二维屏幕坐标时，实际线条也将在二维坐标下绘制。
15. 渲染上屏/交换缓冲区Swap Buffer
    渲染缓冲区一般映射的是系统资源，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。
    但是每个窗口只有一个缓冲区，如果在绘制过程中，屏幕进行了刷新，窗口可能显示不完整的图像。
    常规的OpenGL程序，会配置2个渲染缓冲区，显示到屏幕上的称不屏幕缓冲区，没有显示到屏幕上的称为离屏缓冲区。在一个缓冲区渲染完成之后，将屏幕缓冲区和离屏缓冲区进行交换，实现图像在屏幕上的显示。
    使用了双缓冲中和垂直同步技术之后，由于总是要等缓冲中交换之后才能进行下一帧的渲染，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，实现充分利用硬件性能的目的。