一、入门篇之白话解说OpenGL专业名词

CPU 与 GPU 的区别

• CPU（central processing unit) 中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心。用来处理复杂的逻辑运算、依赖性比较强的工作。
• GPU （Graphics Processing Unit）图形处理器，是一种专门 PC 和移动设备上做图像和图形相关运算工作的微处理器。用来处理逻辑比较单一，依赖性比较低的图形图像渲染工作。

一、iOS中用到的图形API

图形API功能：使用GPU高效完成图形图像的渲染问题

1. OpenGL

• OpenGL具有跨平台、跨编程语言的特性。一般用于PC上的图形图像渲染。
• OpenGL是一个由Khronos组织制定并维护的规范(Specification)，没有提供具体的API实现。其规范严格规定了每个函数该如何执行，以及它们的输出值。具体的API实现，通常是 GPU 的开发厂商做的。

2. OpenGL ES （OpenGL Embedded System）

OpenGL ES 是 OpenGL 三维图形API的子集，是用于嵌入式设备（手机、Pad、 游戏主机等）图形图像渲染的标准。

3. Metal

• Metal 是苹果为游戏开发者推出的新的平台技术，该技术能够为3D图像提高10倍渲染性能。
• 在2018年以前，CoreAnimation的底层使用的是OpenGL ES 。因其核心渲染框架不可能一直使用第三方的， 2018年以后，苹果弃用了OpenGL ES，开始使用自家的Metal。

二、常见专业名词

1. 状态机(State Machine)

• 状态机可以理解成一个机器，开机可用， 停机不可用。它存储着一个对象当前的各种状态，提供了获取对象的状态及改变其状态的方法。
• 例如在openGL中，状态机存储了当前使用的颜色、是否开启了混合状态等信息. 提供了glColor3f方法来改变颜色及其他改变状态的方法。

2. 上下文 (Context)

• 在调用OpenGL指令前，需要先创建一个上下文，上下文可以理解成一个非常庞大的状态机，保存了OpenGL所有的状态。
• 由于不同的绘制模块可能需要使用完全不同的状态管理，这时可以创建多个不同的上下文，在不同的线程上使用不同的上下文，上下文间共享纹理、缓冲区等资源。

3. 渲染(rendering)

渲染就是将图形图像的数据转换成2D空间的图像。

4. 顶点数组(VertexArray)及顶点缓冲区(VertexBuffer)

• 顶点就是我们要绘制的图形的顶点，这些顶点的位置数据（x,y,z）存放在内存的数组中，这个数组叫做顶点数组。顶点数组存在于内存中。
• 顶点缓冲区，是在显存中的一块存储区域。 顶点数组传给顶点着色器后， 顶点着色器将其处理后，存入顶点缓冲区。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，数据存入顶点缓冲区的好处是可以一次性将大量数据发送给显卡。顶点着色器访问显存的速度是非常快的。

5. 着色器(Shader)

着色器分类结构图.png

• 着色器可以理解为一段可以实现特定功能的由GPU执行的代码。着色器分为存储着色器和自定义着色器。

• 5.1 存储着色器/固定着色器
  是OpenGL封装好的着色器，可以用来实现光照、坐标转换、裁剪等功能。是固定的，不是可编程的。在OpenGL 3.2 之后就废弃了。推荐使用自定义着色器

• 5.2 自定义着色器
  是基于GLSL语言编写的代码段。常见的自定义着色器主要有顶点着色器、片元着色器（也叫像素着色器、片段着色器）、几何着色器、曲面细分着色器。目前OpenGl ES 3.0仅支持顶点着色器和片元着色器

• 5.2.1 顶点着色器(VertexShader)
  用来处理图形的每一个顶点变换。有多少个顶点，顶点着色器就会并行执行多少遍。片元着色器的计算结果存储gl_Position中。
  在顶点着色器中做的事情有：确定位置、顶点坐标转换（平移、缩放、旋转）、3D图形转换为2D图形的投影换算

• 5.2.2 片元着色器(FragmentShader)
  用来处理图形中每一个像素点的颜色计算填充。有多少个像素，片元着色器就会并行执行多少遍。片元着色器的计算结果存储在gl_FragColor中。
  在片元着色器中做的事情：计算像素颜色、获取像素纹理、将颜色或者纹理填充到像素中。例如视频滤镜等。

6. 着色器程序(glProgram)

• 着色器程序是由OpenGL对着色器进行编译、链接等操作生成的。它同时包含了顶点着色器和片元着色器。

7. 管线

管线是一个抽象概念，表示一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程。
图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。

• 固定管线
  指的是在渲染的过程中，使用的都是存储着色器
• 可编程管线
  指的是在渲染的过程中，使用的都是自定义着色器

8. GLSL着色语言(OpenGL Shading Language)

GLSL是OpenGL中的着色编程语言，可以用来编写自定义的着色器。如顶点着色器和片元着色器。

9. 光栅化Rasterization

光栅化就是将图元转换为⼀组二维片段（像素）的过程。片元中的每个元素对应于帧缓冲区的一个像素。

10. 纹理

在OpenGL中图片被称为纹理。渲染图形时，需要在每个像素点填充颜色或者纹理（图片），填充纹理会使得渲染后的场景更加逼真。

11. 混合(Blending)

• 在片元着色器后帧缓冲区中进行的动作。在片元深度测试阶段后，如果像素依然没有被剔出，那么像素的颜色将会和帧缓冲区的颜色进行混合（可以想象是将两个颜色重叠的画面）。
• 混合算法可以通过OpenGL的函数指定。不过OpenGL中的混合算法有限，如需要更加复杂的算法，可以通过片元着色器进行实现，当然性能会比原生的混合算法差一些。

13. 投影

• 正投影（平行投影）： 不管远近，物体以1：1大小显示的时候，一般用来显示2D效果
  

  

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• 透视投影：物体以近大远小的规则显示，一般用来显示3D效果
  

  

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12. 变化矩阵（MVP矩阵：模型矩阵(M)、观察矩阵(V)、投影矩阵(P)）

• 模型矩阵(Modeling Transformation)，当图形想要发生平移、旋转、缩放时，需要使用到模型变换矩阵
• 观察矩阵（Viewing transformation），观察者角度发生变化时，需要用到的观察矩阵
• 投影矩阵(Projection Transformation)， 将3D坐标转换为2维屏幕坐标时，需要使用到投影矩阵
• 矩阵： （x,y,z,w）w 缩放因子

13. 渲染流程

渲染流程.png