2、OpenGL初探之OpenGL图形API及专有名词

一、简单了解图形API 

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    1、OpenGL（Open Graphics Library）是一个跨平台、跨编程语言的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象为一个个OpenGL对象，对这些资源的操作抽象为一个个OpenGL指令。

    2、OpenGL ES（OpenGL for Embedded System）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。

    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，按照性质分类为四大部分：显示部分，声音部分，输入部分以及网络部分。

    4、Metal：Apple为游戏开发者推出的新平台技术，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。

二、OpenGL专有名词解析

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1、OpenGL上下文（context）

    在应用程序调用任何OpenGL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语言函数不管是在哪个语言中，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一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的相关调用封装称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不同的上下文，在不同线程中使用不不同的上 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，它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，条件以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时间所经历的状态序列以及对那些状态事件的响应。

状态机具有以下特点：

    1、有记忆功能，能够记住当前的状态（比如OpenGL可以记住当前所使用的颜色，是否开启了混合功能等）

    2、可以接收输入，根据输入的内容和自己原先的状态，修改自己当前状态，并且可以有对应的输出（比如调用OpenGL函数的时候，实际上就是在接收我们的输入）

    3、当进入特殊状态的时候（停机状态），便不再接收输入，停止工作。（OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入，在程序退出前，OpenGL总是会先停止工作）

3、渲染

    将图像/图形数据转换成3D空间图像操作叫做渲染

4、顶点数组（VertexArray）和顶点缓冲区（VertexBuffer）

    画图一般都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。那这些顶点数据是最终存储在哪里呢？开发者可以选择指定函数指针，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之中的，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，叫做顶点缓冲区。

    顶点指的是我们在绘制图形的时候，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CPU内存中

5、管线

    在OpenGL下渲染图形，就会有经历一个个节点，而这样的操作可以理解成管线。可以理解成流水线，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，之所以被称为管线，是因为显卡在处理数据的时候，总是按照一个固定的顺序来的，而且严格按照这个顺序，这个顺序不能被打破。

6、固定管线和存储着色器

    早期的OpenGL版本，它封装了很多种着色器程序块，内置了一段包含光照、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定shader程序来完成，来帮助来发着开完成图形的渲染，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，我们只需要会调用不需要知道底层的实现原理。

    但是由于OpenGL的使用场景非常丰富，固定管线或者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

    着色器程序将固定渲染管线架构变成了可编程渲染管线。因此OpenGL在实际调用之前，还需要指定一个由着色器shader编译而成的着色器程序。常见的着色器主要有顶点着色器（VertexShader），片段着色器（FragmentShader，又叫片元着色器）/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OpenGL ES3.0，依然只支持了顶点着色器和片元着色器这两个最基础的着色器。

    OpenGL在处理shader的时候，和其他编译器。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象传入的顶点数据进行运算。再通过图元进行装配，将顶点数据转换为图元。然后进行进行光栅化，将图元这种矢量图形，转化为栅格化数据，最后将栅格化数据传入片元着色器中进行运算，片元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（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，也就是说每一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成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一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，片段着色器是逐像素运算的程序，也就是说每一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着色器语言是用来在OpenGL中着色编程的语言，也是开发人员写的短小的自定义程序。他们是在图形卡的CPU（Graphics Processor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居右可编程性。比如视图转换、投影转换等等，GLSL的着色器代码分为两个部分：VertexShader（顶点着色器）、FragmentShader（片段着色器）

11、光栅化Rasterization

    把顶点数据转换成片元的过程，具有将图转化为一个个栅格组成的图像的作用，特点是每一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为片元的过程，片元中每一个元素对应帧缓冲区的一个像素。

    光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程中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形栅格区域被基本图元占用；第二部分工作：分配一个颜色值和深度值到各个领域。

    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用于填充像素的颜色，这个过程叫做光栅化，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。在渲染图形的时候，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，在OpenGL中我们将它叫做纹理

13、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函数进行指定，一般可以通过像素着色器进行实现，当然性价比会比原生的混合算法差一些。

14、变换矩阵（Transformmation）

    OpenGL图像发生平移，缩放，旋转等变换需要使用变换需要使用变换矩阵。

15、投影矩阵（Projection）

    将3D坐标转换为二维屏幕坐标。实际线条在将在二维坐标系啊进行绘制。

16、渲染上屏和交换缓冲区（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，如果一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，窗口可能显示不完整的图像。

    为了解决这个问题，常规的OpenGL至少有两个缓冲区，显示在屏幕上的为屏幕缓冲区，没有显示的为离屏缓冲区。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进行交换，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别属于两个不同的帧，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。

    使用了双缓冲和垂直同步技术之后，由于总是要等待缓冲区交换完成之后在进行下一帧的渲染，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，引入三缓冲区技术，在等待垂直同步的时候，来回交替两个离屏的缓冲区，而垂直同步发生时，屏幕缓冲区和最近完成渲染的离屏缓冲区交换，实现充分利用硬件性能的目的。

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