OpenGL专业名词及坐标系解析

• OpenGL上下文（context）：它是一个巨大的状态机，保存了OpenGL中的各种状态，是所有指令执行的基础，所以在进行上下文切换会产生较大的开销，我们应该尽量避免这种情况出现。如果应用中包含多个不同状态类型的绘制模块，可以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和缓冲区等资源，这种方案相比反复切换上下文会更加高效，当然多线程的使用也会使程序更加复杂。
• 渲染（Rendering）：将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染
• 顶点数组（VertexArray）和顶点缓冲区（VertexBuffer）：图像可以理解为由若干个三角形组合的路径，然后填充上颜色。而每个三角形由顶点决定其形状，这些顶点数据可以存储在内存当中，这样在绘制的时候直接由内存传入，这部分数据就称为顶点数组。而如果将这些顶点数据存储到提前分配的显存中，那么这部分显存就被称为顶点缓存区。而具体使用哪种方式是由开发者在决定的，另外由于顶点数据是GPU处理的，所以从内存中访问相对来说会慢一些。
• 管线：管线是个抽象的概念，它是指OpenGL在渲染图形时按照一个固定的顺序来执行，可以理解为工厂的流水线。
• 固定管线/存储着色器：在早期的OpenGL版本封装了很多种着急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程序来完成。但是由于使用场景太多，这些固定的shader程序不能满足需求，因此就将相关部分改成了可编程的，叫可编程管线。
• 着色器程序（Shader）：它是OpenGL的灵魂。常见的着色器主要有顶点着色器、片元着色器（又称片段着色器或像素着色器，Metal中称作片元函数）、几何着色器、曲面细分着色器。OpenGLES 3.0只支持顶点着色器和片段着色器。
• 顶点着色器（VertexShader）：处理每一个顶点的变换，包含旋转、平移、缩放等，按照顺序依次处理。
• 片元着色器（FragmentShader）：一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充，一个像素点就会执行一次，当然也是并行的。海量的计算只能借助GPU。
• GLSL（OpenGL Shading Language）：OpenGL着色语言，是用来OpenGL中着色编程的语言。
• 光栅化（Basterization）：是把顶点数据转换为片元的过程，将几何图元变为二维图像的过程。这个过程包含两个部分的工作，第一决定窗口坐标中的哪些整形栅格区域被基本图元占用；第二分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。通俗讲就是将三个顶点转换成一个三角形并填充颜色。
• 纹理：可以理解为图片，它是一个位图，就是像素数组，每个像素代表图片中的一个点。
• 混合（Blending）：就是将像素的颜色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提供的算法是有限的，如果需要更复杂的混合算法一般可以通过像素着色器进行实现，当然也会影响一些性能。
• 变换矩阵（Transformation）:平移 缩放 旋转。
• 投影矩阵（Projection）：用于将3D坐标转换为二维屏幕坐标。比如自己与镜子里的自己。
• 渲染上屏/交换缓冲区（SwapBuffer）：渲染结果会存放在缓存区，而窗口显示的图像就是从缓存区中读取，但如果在绘制过程中屏幕刷新，那么窗口可能会显示出不完整的图像，为了解决这个问题，常规的OpenGL程序至少会有两个缓冲区。显示在屏幕上的叫屏幕缓冲区，没有显示的那个称为离屏缓冲区，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，实现图像在屏幕上的显示。另外为了防止交换缓冲区的时候屏幕上下区域的图像分属两个不同的帧，因此交换一般会等待显示刷新完成的信号，在两次刷新的间隔中进行交换，这个信号被称为垂直同步信号。

坐标系
OpenGL中的物体、世界、照相机坐标系都属于右手坐标系，而规范化设备坐标系使用左手坐标系，因此需要将坐标先变换为标准化设备坐标，然后传入光栅器将它们转换为屏幕坐标。在物体的坐标变换过程中为了一些操作或运算更加方便，一个顶点最终转换为片段之前有5个对我们来说比较重要的坐标系统：

• 局部空间(Local Space,或称为物体空间Object Space)
• 世界空间(World Space)
• 观察空间(View Space，或者称为视觉空间Eye Space)
• 裁剪空间(Clip Space)
• 屏幕空间(Screen Space)

在3D图形学中常用的坐标系：

• 世界坐标系是系统的绝对坐标系，始终是固定不变的。
• 物体坐标系是以相对物体本身，每个物体都有独立的坐标系，可以理解为模型坐标系，模型的每个顶点坐标都是在模型坐标系中描述的。
• 摄像机坐标系是处于3D空间中，与屏幕坐标系相似，但后者在2D平面里。
• 惯性坐标系是一个从物体坐标系转换为世界坐标系的一个"过渡"坐标系，物体坐标系保持原点不动进行旋转与世界坐标系轴平行，即可得到惯性坐标系；再进行平移即可转换到世界坐标系。

坐标转换：

在坐标系变换过程中需要用到几个变换矩阵，最重要的几个分别是模型(Model)、观察(View)、投影(Projection)三个矩阵。

• 模型变换 局部坐标系是为了方便构造模型而设立的坐标系，建立模型时无需关心最终对象显示在屏幕哪个位置。模型变换的目的是通过变换使顶点属性定义或者3d建模软件构造的模型，能够按照需要通过缩小、平移等操作放置到场景中合适的位置，通过模型变换后物体放置在一个公共的世界坐标系中。
• 视变换是为了方便观察场景中的物体而设立的坐标系，相机是一个假想的概念，也可以想像为人的眼睛，OpenGL中相机始终位于原点，指向负z轴。举个例子：要观察负z轴方向的一个立方体的右侧面，可以有两种方式：
  • 立方体不动，让相机绕着y轴旋转+90度，此时相机朝向立方体的右侧面
  • 相机不动，让立方体绕着y轴旋转-90度，此时也能实现相同目的
• 投影变换 平面图形一般使用正投影，因为平面图形没有远近效果；而立体图形要想显示远小近大的效果，需要使用透视投影。

因为OpenGL最终的渲染设备是2D的，所以需要将3D表示的场景转换为最终的2D形式。其转换的流程大致为：物体坐标(进行模型变换)-->世界坐标(进行视变换)-->摄像机坐标(进行投影变换)-->裁剪坐标系(经过透视除法)-->标准化设备坐标系NDC(经过视口变换)-->屏幕坐标。

• 前三步模型变换、视变换、投影变换可以由用户根据需要自行指定，这些都是在顶点着色器中完成。
• 透视除法、视口变换则是OpenGL自动执行的，在顶点着色器处理后的阶段完成。
• 标准化设备坐标系(NDC)的坐标取值范围为[-1,1]