OpenGL专业名词解析

OpenGL是一种用于创建实时3D图像的编程接口，是图形硬件的软件接口，基本上是一种底层渲染API，我们需要自己动手，通过载入三角形,应用必要的变换和正确的纹理、着色器并在必要时应用混合模式来组合一个模型。实现了我们通常所说的渲染管线(redering pipeline)，它是一系列数据处理过程，并将应用程序的数据转换到最终渲染的图像。OpenGL规范包含GLSL,即OpenGL着色语言,这实际上是一种非常类似于C语言的程序设计语言。

OpenGL上下文

• 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。

OpenGL状态机

OpenGL状态机是一个抽象的模型,表示一组状态变量的集合.OpenGL使用状态机来追踪所有的OpenGL状态变量。当一个状态值被设置之后，它就一直保持这个状态,直到其他函数对它进行修改为止.许多状态只能简单的打开或关闭。例如：深度测试就是要么打开、要么关闭。但是,并不是所有的状态变量都只是简单地打开或关闭。许多OpenGL函数专门用于设置变量的值,此后这些变量一直保持被设置时的值,直到再次被修改。因此具有以下特点：

• 有记忆功能，能记住其当前的状态
• 可以接受输入，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，便不再接收输入，停止工作

渲染

将数学和图形数据转换成3D空间图像的操作叫做渲染

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，然后在骨架里面填充颜色，这对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像骨架，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。而性能更高的做法是，提前分配一块显存，将顶点数据先传入显存当中。这部分显存，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

着色器渲染过程

在渲染过程中，必须存储2种着色器：顶点着色器和片元着色器。顶点着色器是第一个着色器、片元着色器是最后一个。顶点着色器处理顶点数据，片元着色器处理像素点颜色。
顶点着色(包括细分着色和几何着色)决定了一个图元应该位于屏幕的什么位置，而片元着色使用这些信息来决定某个片元的颜色应该是什么

着色器渲染过程

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，还需要指定一个有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指示在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是，直到OpenGL 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，转换成栅格化数据。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。

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。就像水从⼀根管⼦子的一端流到 另一端，这个顺序是不能打破的。

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
• 但是由于OpenGL 的使⽤用场景⾮非常丰富，固定管线或存储着色器无法完成每⼀一个业务。这时将相关部分开放成可编程

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。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

• 一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充
• 片元着色器是OpenGL中用于计算片段（像素）颜色的程序。片元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元着色器，当然也是并行的

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上执行的，代替了固定渲染管线的一部分，是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的着色器代码分成2个部分：VertexShader(顶点着色器)和FragmentShader(片元着色器)

光栅化

• 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

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。

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的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。

变换矩阵

• 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

• 用于将3D坐标转换为2D屏幕坐标，实际线条也将在二维坐标下进行绘制。

正投影:正射投影，又叫平行投影。这种投影的视景体是一个矩形的平行管道，也就是一个长方体。正射投影的最大一个特点是无论物体距离相机多远，投影后的物体大小尺寸不变。这种投影通常用在建筑蓝图绘制和计算机辅助设计等平面图形方面，这些行业要求投影后的物体尺寸及相互间的角度不变，以便施工或制造时物体比例大小正确。（图片绘制不管远近1：1进行绘制）
透视投影:透视投影符合人们心理习惯，即离视点近的物体大，离视点远的物体小，远到极点即为消失，成为灭点。它的视景体类似于一个顶部和底部都被切除掉的棱椎，也就是棱台。这个投影通常用于动画、视觉仿真以及其它许多具有真实性反映的方面。（远小近大效果，3D图形）

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，显示图像在屏幕上显示。
• 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。

窗口和视口:

首先，视口坐标是表示物理坐标的，窗口坐标是表示逻辑坐标的，并且，任何时候视口坐标和窗口坐标都是一一对应的（即：左上角坐标和右下角坐标是一一对应的）。比如：设置视口坐标(0,0,50,50)（表示:(左上角X,左上角X,宽度,高度)），设置窗口坐标为(-100,-100,100,100)，那么，窗口坐标(-100,-100)对应视口坐标(0,0)，窗口坐标(0,0)对应视口坐标(50,50)，第二，在我们绘制图形或文字时，是以逻辑坐标为参考的。所以，只要记住，这两点就应该能理解坐标系统了，实际上就是个坐标的转换，当然，最终的图形显示实际都会变换为对应的视口坐标来显示.我们在放大图形时只需要重新设置更大区域的视口坐标(物理坐标)，而不需要改变任何的程序代码，缩小也是同样的道理。