一、OpenGL - 专业名词解析

环境搭建

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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
• 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，去除了许多不必要和性能较低的API接口。
• DirectX是由很多API组成的，DirectX并不是一个单纯的图形HPL最重要的是DirectX是属于Windows上一个多媒体处理API.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，显示部分、声音部分、输入部分和网络部分.
• 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 10 倍的渲染性能.Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽推出的框架

OpenGL /OpenGL ES/ Metal 在任何项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的⽅式.

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OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL凱指令执行的基础•
• 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
• 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.
  简单的说上下文就是一个状态机，保存当前的所有状态

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

渲染

将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫做渲染(Rendering).
在移动端渲染就是将视频、图片或者view等绘制到屏幕上的过程

顶点数组( VertexArray )和 顶点缓冲区（ VertexBuffer )

• 画图⼀般是先画好图像的⻣架，然后再往⻣架⾥⾯填充颜⾊，这对于
  OpenGL也是⼀样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架，和现实中不同的
  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、三⻆形。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

顶点数据存于内存中，使用的时候CPU通过地址总线访问，受带宽影响，所以就有了顶点缓冲区，将顶点数据存于GPU的显存中 地址总线（Address Bus）是一种计算机总线，是CPU或有DMA能力的单元，用来沟通这些单元想要访问（读取/写入）计算机内存组件/地方的物理地址。

位图

位图图像（bitmap），亦称为点阵图像或栅格图像，是由称作像素（图片元素）的单个点组成的。
比如一个位图的宽高为120*120px , 那么一个像素包含四个颜色分量RGBA，也就是占四个字节，一个字节占8位bit
120 * 120 = 14400 -> RGBA -> 14400 * 4 = 位图 (纹理)
映射: 对应关系

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
  ⻅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
  简单来说，函数和方法（代码段）是供我们CPU来使用，shader(代码段)是供GPU来使用的

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，这个顺序是不能打破的

管线就像流水线，按照一个固定的顺序去执行

• 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
固定管线就像一个固定的模具，我们不能进行编程
• 但是由于OpenGL 的使⽤场景⾮常丰富,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

可编程管线能进行编程，自定义模具，通过GLSL语法来驱使GPU

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。

顶点着色器用来处理顶点相关代码， 1.确定位置 2.缩放/平移/旋转位置换算 3.将3D图形数据转换成2D(投影换算)，显示在手机屏幕上

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

片元着色器处理的是一个个片元，也就是像素点，执行片段着色器，并行运算，当我们想对位图进行加滤镜等等操作，实际上就是修改片元，后面会讲到OpenGL ES，用它来处理

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
渲染流程：顶在顶点着色器处理图元顶点之后进入图元装配阶段。这一阶段，执行裁剪、透视分割和Viewport变换操作。然后进行光栅化。之后给片元着色器处理，最终显示
光栅化主要有两个过程，1. 确定图形在窗口中的像素范围，2.产生并分配颜色值和和深度值到片元

纹理

• 纹理可以理解为图⽚. ⼤家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.但是在OpenGL,我们更加
习惯叫纹理,⽽不是图⽚.
纹理可以理解为图⽚，在OpenGL 中位图的图片格式是.tga 纹理⽂件 OpenGL ES 移动端显示⼀张 png->位图，在移动端一般不去用.tga文件，而是直接将png或jpeg解码为位图使用

混合（Blending)

• 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
差⼀些.
混合很好理解，比如两个有alpha的图层颜色叠加在一起，叠加的部分会混合为新的颜色，透明度重组会触发离屏渲染

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.

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

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
现充分利⽤硬件性能的⽬的

2D笛卡尔坐标系

初中就学过，就是平面坐标系

3D笛卡尔坐标系

高中知识，包含x,y,z三个轴

视口

视口就是显示在窗口上面的区域

OpenGL 投影⽅式

• 透视投影
  透视投影就是人观察事物的投影，近大远小
• 正投影
  也叫平行投影，就像一面镜子，平行投射，事物原本什么样就什么样

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OpenGL OpenGL 坐标系(世界坐标系, 惯性坐标系,物体坐标系)

OpenGL希望每次顶点着色后，我们的可见顶点都为标准化设备坐标
(Normalized Device Coordinate,NDC)。也就是说每个顶点的z,y,z都应该在 -1到1之间，超出这个范围的顶点将是不可见的。
对我们来说共有5个不同的坐标系统
•局部空间(Local Space，或者称为物体空间(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,在没有建立用户坐标系之前画面上 所有的点的坐标都可以在该坐标系的原点来确定各自的位置.世界坐标系始终是固 定不变的
•物体坐标系:每个物体都有他们独立的坐标系.当物理移动或者改变方向时.该物体 相关联的坐标系将随之移动或改变方向。
•摄像机（照相机）坐标系:在坐标系的范畴里，摄像机坐标系和照相机坐标系都是 —样的意义。照相机坐标系是和观察者密切相关的坐标系。照相机坐标系和屏幕 坐标系相似，差别在于照相机坐标系处于3D空间中，而屏幕坐标系在2D平面 里。
•惯性坐标系:指的是世界坐标系到物体坐标系的"半途惯性坐标系的原点和物体 坐标原点重合，但惯性坐标系的轴平行于世界坐标系的轴.
为什么要引入惯性坐标系？因为物体坐标系转换到惯性坐标系只需要旋转,从惯性 坐标系转换到世界坐标系只需要平移.

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视变换

视变换是为了方便观察场景中物体而设立的坐标系，在这个坐标系中相机是个假 想的概念，是为了便于计算而引入的。相机坐标系中的坐标，就是从相机的角度 来解释世界坐标系中位置

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比如我们想看到物体的右侧

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