OpenGL / OpenGL ES 专业名词解析

一、简介

（1）OpenGL

• OpenGL（英语：Open Graphics Library，译名：开放图形库或者开放式图形库）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来从简单的图形比特绘制复杂的三维景象。而另一种程序接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。

Direct 3D是基于微软的通用对象模式COM（Common Object Mode）的3D图形API。它是微软公司DirectX SDK集成开发包中的重要部分，适合多媒体、娱乐、即时3D动画等广泛和实用的3D图形计算。
DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不不是⼀一个单纯的图形API. 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。

（2）OpenGL ES

• 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。2014年到2018年.苹果完成了系统内部从OpenGL ES过度到Metal。直到WWDC 2018，Apple 宣布 iOS 12 将弃用 OpenGL / CL。

在 WWDC 2014 上，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，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。
Metal 是一种低层次的渲染应用程序编程接口，提供了软件所需的最低层，保证软件可以运行在不同的图形芯片上。Metal 提升了 A7 与 A8 处理器效能，让其性能完全发挥。

二、OpenGL / OpenGL ES 用来做什么？

• OpenGL常用于CAD、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。简单来说就是实现图形的底层渲染。
  比如在游戏开发中,对于游戏场景/游戏人物的渲染；
  比如在音视频开发中,对于视频解码后的数据渲染；
  比如在地图引擎,对于地图上的数据渲染；
  比如在动画中,实现动画的绘制；
  比如在视频处理中,对于视频加上滤镜效果；
  ......

三、专业名词解析

初学OpenGL，初学者常会对各类专业名词感到疑惑，不能清晰理解其意义，下面就来讲讲这写专业名词，如有错误或者补充的，欢迎在下面留言。

（1）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语言一样的面相过程的函数，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，当然你的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的相关调用封装称谓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。这样的方案会比仿佛切换上下文，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，换而言之，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相应时间锁经历的状态序列以及对那些状态时间的相应。因此具有以下特点：
  1. 有记忆功能，能记住其当前的状态
  2. 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
  3. 当进入特殊状态的时候，变不再接受输入，停止工作；

（3）渲染（Rendering）

• 将图形/图像数据转换成3D空间图像到屏幕上的过程叫做渲染。

（4）顶点

• 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）顶点数组（VertexArray）和顶点缓冲区（VertexBuffer）

• OpenGL的图像都是由图元组成。在OpenGLES中，有3种类型的图元：点、线、三角形。通常，我们在调用绘制⽅法的时候，有两种方法：一种是，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。另一种则是性能更加⾼效的，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。

（6）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。就像水从一根管⼦子的一端流到另一端，这个顺序是不能打破的。

（7）固定管线/存储着色器

• 固定管线：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，来帮助开发者完成图形的渲染，而开发这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。
• 可编程管线：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，则称之为可编程管线。

（8）着色器程序Shader

• 将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此，在OpenGL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，片元着色器（片段着色器/像素着色器），几何着色器，细分着色器。在OpenGL3.0中，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，生成了着色器程序，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而每一个像素进行运算，并决定像素的颜色。

  
  
  

  1.1OpenGL绘制过程.png

（9）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）；
• 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。顶点坐标由吱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。

（10）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。

（11）GLSL（OpenGL Shading Language）

• 是用来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，他们是图形卡的GPU上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分，是渲染管线中的不同层次具有可编程行。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Fragment(片元着色器)。

（12）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化组成的图像的作用，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。第一个，决定哪些地方要被填充； 第二个，决定每个像素点的颜色值和深度值。
• 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。

（13）纹理

• 纹理可以理解为图片。大家再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。

（14）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提供的混合算法是优先的，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些。

（15）变换矩阵（Transfrormation）

• 图形想发生平移，缩放，旋转变换，就需要使用变换矩阵。

（16）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系啊进行绘制。

（17）渲染

• 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。

  
  
  

  1.2屏幕缓冲区和离屏缓冲区交换.png

• 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。

四、结尾

• 以上是OpenGL初学者常遇到的专业名词解释，希望能帮助到大家！