1、OpenGL快速入门

OpenGL /OpenGL ES/ Metal 在任何项⽬目中解决问题的本质就是利用GPU芯片来高效渲染图形图像.图形API 是iOS开发者唯一接近GPU的⽅方式.

图形API简介

• 1. OpenGL (Open Graphics Library)是一个跨编程语⾔言、跨平台的编程图形程序接⼝，它将计算机的资源抽象称为⼀个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。
• 2. OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL 三维图形 API 的⼦子集，针对⼿手机、PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备⽽而设计，去除了了许多不必要和性能较低的API接⼝口。
• 3. DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不是一个单纯的图形API. 最重要的是DirectX是属于Windows上⼀一个多媒体处理理API.并不不⽀支持Windows以外的平台,所以不不是跨平台框架. 按照性质分类，可以分为四⼤大部分，显示部分、声⾳音部分、输⼊入部分和⽹网络部分.
• 4. Metal : Metal: Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为 3D 图像提⾼高 10 倍的渲染性能.Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽而推出的框架

OpenGL 专业名词解析

• 1. OpenGL 上下文(context)

     • 在应⽤用程序调⽤用任何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OpenGL中的各种状态，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。

• 2. 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，能记住其当前的状态
       - 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，变不再接收输入，停止工作
     • 类推到OpenGL可以这么理解：
       - 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函数的时候，实际上可以看成 OpenGL在接收我们的输入)，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
       - OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的
• 3. 渲染：将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering).
• 4. 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，和现实中不同的 是，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGLES中，有3种类型的图元:点、线、三⻆角形。那这些顶点数据最终是存储在哪里的呢?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之前是存储在内存当中的，被称为顶点数组。⽽性能更更高的做法是，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。
     • 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。
• 5. 管线
     • 在OpenGL下渲染图形,就会有经历一个一个节点.而这样的操作可以理解为管线.⼤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，这个顺序是不能打破的。
• 6. 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、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定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。
     • 但是由于OpenGL的使⽤用场景非常丰富,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。
• 7. 着⾊器程序Shader
     • 就全面的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。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。常见的着色器主要有顶点着色器(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)。⽚段着色器和像素着色器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是，直到 OpenGLES 3.0，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。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。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。
• 8. 顶点着色器VtertexShader
     • 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。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. 片元着色器程序FragmentShader
     • 一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充。
     • 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，当然也是并行的。
• 10. 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)。
• 11. 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。
      • 把物体的数学描述以及与物体相关的颜⾊信息转换为屏幕上用于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化为离散信号的过程。
• 12. 纹理
      • 纹理可以理解为图片. ⼤家在渲染图形时需要将其编码填充图片,为了使得场景更加逼真.而这⾥里里使用的图片,就是常说的纹理.但是在OpenGL,我们更加习惯叫纹理,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⼀一些.
• 14. 变换矩阵（Transformation）
      • 例如图形想发生平移、缩放、旋转变换，就需要使用变换矩阵。
• 15. 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.
• 16. 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，值得注意的是，如果每个窗口只有一个缓冲区，那么在绘制过程中屏幕进⾏了刷新，窗⼝可能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。
      • 由于显示器的刷新一般是逐⾏进行的，因此为了防止交换缓冲区的时候屏幕上下区域的图像分属于两个不同的帧，因此交换一般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中进行交换，这个信号就被称为垂直同步信号，这个技术被称为垂直同步。
      • 使⽤了双缓冲区和垂直同步技术之后，由于总是要等待缓冲区交换之后再进⾏下一帧的渲染，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，实 现充分利⽤用件性能的目的。

OpenGL渲染架构

openGL渲染架构图

Attributes属性

属性就是对每一个顶点都要做改变的数据元素，只能直接传递到顶点着色器Vertex Shader属性可以是顶点位置、纹理坐标、颜色值、光照等。

特点：

• 属性值可以是浮点数、整数、布尔数据
• 属性总是以四维向量的形式进行内部存储的
• 这些属性是应用于每个顶点的，每个顶点都要做出改变，它们的值也可以重复

uniform值

uniform值是一种对整个批次属性都取统一的单一值，可以传递到顶点着色器和片元着色器它是不变的，设置uniform变量，紧接着就会发送一个图元批次命令，uniform变量实际上可以无次数限制地使用。可以设置一个用于整个表面的颜色值，或是设置一个时间值
这里的uniform变量是每个批次改变一次，而不是每个顶点改变一次
uniform值可以是浮点、整数、布尔值，也可以是标量类型、矢量类型、uniform矩阵

着色器渲染流程

着色器渲染流程.png

比如说现在要画一个三角形

1. 告诉我三角形的三个顶点位置,也是三个点的坐标 对应顶点数据
2. 我处理这三个顶点(是旋转还是平移,这里暂时不用) 对应顶点着色器
3. 细分着色器我们不可以编程,所以不用管。
4. 几何着色器 也可以跳过
5. 图元设置 你给它三个顶点,他要确认是一个三角形
6. 剪切就是你设置的大小,超过了窗口显示的大小,超过部分就给你剪切了。
7. 来到光栅化, 来确定这个图元有多少个像素点,把他一个一个抠出来。
8. 来到片元着色器, 我要填充颜色了, 三角形的显示颜色。
9. 最后就显示了。

着色器的渲染流程 也是GPU显示的流程。