【OpenGL入门】OpenGL中的名词解析与渲染流程

1 简介

OpenGL（Open Graphics Library）是一个跨编程语言、跨平台的图形编程程序接口，它将计算机的资源抽象成一个个OpenGL对象，将对这些资源的操作抽象成一个个OpenGL指令。

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，去除了很多不必要的和性能较低的API接口。

1.1 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，当然你得首相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的。

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，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。

1.2 OpenGL状态机

具有记忆功能，能够记录当前的状态
可以接收输入，根据输入的信息修改自己当前的状态，并支持输出
当进入停机状态时，便不再接收输入信息，停止工作。

在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的。

2 着色器的渲染流程

（1） 顶点数据
（2） 顶点着色器【必要】：接收顶点数据，单独处理每个顶点
（3） 细分着色器【可选】：描述物体的形状,在管线中⽣生成新的几何体处理(平顺)模型生成最终状态
(名称: 细分控制着⾊器/细分计算着⾊器，对所有的图像进行修改几何图元类型或者放弃所有的凸缘)
（4） 几何着色器
（5） 图元设置
（6） 剪切：剪切视口之外的绘制
（7） 光栅化：输入图元的数学描述，转化为与屏幕对应位置的像素片元，简称光栅化
（8） 片元着色器【必选】：片元颜色以及深度值，然后传递到片元测试和混合模块
（9）显示效果

2.1 渲染

将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫渲染（Rendering）

在渲染过程中，必须存储2中着色器，分别是顶点着色器和片元着色器。顶点着色器是第一个，片元着色器是最后一个。顶点着色器中处理顶点，片元着色器处理像素颜色。

2.2 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，然后再往骨架中填充颜色，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中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有三种类型的图元：点、线、三角形。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的时候，他的顶点位置数据，这个数据可以直接存储在数组中或者将其直接缓存到GPU内存中

2.3 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只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是，直到OpenGL ES 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。

2.4 管线

在OpenGL下渲染图形，就会有经历一个一个节点，这样的操作可以理解为管线。就像流水线一样，每个任务类似流水线一般执行，任务之间有先后顺序。管线是一个抽象概念，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，这个顺序是不能被打破的。

2.5 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。
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管线。

2.6 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。

2.7 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

2.8 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，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）

2.9 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

2.10 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

2.11 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。

3 矩阵

3.1 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。

3.2 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。

4 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

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最后我们通过下面这个图再来看一下整个渲染流程

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