一、初识OpenGL

1. 图形API
- 1.1. 图形API可以解决什么问题?
1. OpenGL上下文 (context)
1. OpenGL状态机
1. 渲染
1. 顶点数组(VertexArrat)和顶点缓冲区(VertexBuffer)
1. 管线
1. 固定管线/存储着色器
1. 着色器程序(shader)
- 8.1. 顶点着色器(VertexShader)
- 8.2. 片元着色器(FragmentShader)
1. GLSL(OpenGl Shading Language)
1. 光栅化(Rasterization)
1. 纹理
1. 混合(Blending)
1. 变换矩阵(Transformation)
1. 投影矩阵(Projection)
1. 渲染上屏/交换缓存区(SwapBuffer)

1. 图形API

OpenGL（Open Graphics Library）：是一个跨编程语言，跨平台的图形程序接口，它将计算机的资源抽象为一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个OpenGL指令
OpenGL ES（OpenGL for Embedded systems）：是OpenGL三维图像API的自己，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。
DirectX：是由很多API组成的，DirectX并不是一个单纯的图像API，最重要的是DirectX是属于Windows上的一个处理多媒体的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。
Metal：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。是Apple为了解决3D渲染而推出的框架。

1.1. 图形API可以解决什么问题?

在游戏开发中对游戏场景/游戏人物的渲染
在音视频的开发中，对视频解码后的数据渲染
在地图引擎中，对地图上数据渲染
实现动画绘制
添加滤镜效果

2. OpenGL上下文 (context)

在应用程序调用任何OpenGL的指令之前，首先需要创建一个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无论在那个语言中，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。通过对OpenGL指令的封装，可以将OpenGL的相关调用封装成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创建多个不同的上下文，在不同的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。这样的方案回避反复切换上下文，或者大量修改渲染状态更加合理高效。

OpenGL维护了一个庞大的状态机，用来保存各种状态
OpenGL是一个面向过程的，因此可以对其进行一层面向对象的封装
OpenGL上下文切换开销很大，因此不同模块可以使用不同的上下文、上下文之间共享纹理，缓冲区等

3. OpenGL状态机

状态机一个能够记录生命周期内的各种状态，根据输入来修改状态，并产生相应的输出。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原先的状态，修改自己当前的状态，并且可以有对应输出
当进入特殊状态（停机状态），变得不再接收输入，停止工作

4. 渲染

将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫作渲染。

5. 顶点数组(VertexArrat)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，对于OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图形的骨架。和现实不同的是，OpenGL中的图形都是由图元组成的。在OpenGLES中，有3种类型的图元：点、线、三角形。开发者可以选择设定的函数指针，在调用绘制方法时，直接由内存传入顶点数据，这部分数据之前是存在内存当中的，被称为顶点数组。而更高效的做法是，提前分配一块显存，将顶点数据提前传入显存中，这部分的显存，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，而这个数据可以存在数组中或者将其缓存到GPU内存中。

OpenGL中的图形是由一个个图元组成
图元根据顶点数据和图元的类型（点、线、三角灯）得到
内存中的图元顶点叫作顶点数组，显存中的图元顶点数据叫作顶点缓冲区（更高效）

6. 管线

在OpenGL下渲染图形，就会经历一个一个节点。而这样的操作可以理解。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固定的顺序来的，而且严格按照这个顺序，就行水从一根管子的一端流向另一端，这个顺序不能打破。

OpenGL在渲染图形的时候是按照严格的顺序来执行的

7. 固定管线/存储着色器

在早起OpenGL版本，它封装了很多种着色器程序块，内置的一段包含光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定shader，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。

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，将这部分开放成可编程的。

8. 着色器程序(shader)

固定渲染管线架构变成了可编程渲染管线。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。常见的着色器程序主要有 顶点着色器（VertexShader），片段着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader)，几何着色器(GeometryShader),曲⾯面细分着⾊色器器(TessellationShader)，直到openglES3.0，依然只支持了顶点着色器和片段着色器两种最基础的着色器。

OpenGL在处理shader是，和其他编译器一样。通过编译、链接等步骤，生成着色器程序（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。在通过图元装配，将顶点转化为图元。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进行运算。片段着色器会对光栅化数据中的每一个像素进行运算，并决定像素的颜色。

由于固定管线不能满足使用场景，因此将固定管线架构变成可编程渲染管线。
常见的shader：顶点着色器（VertexShader），片段着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader)，几何着色器(GeometryShader),曲⾯面细分着⾊色器器(TessellationShader)
OpenGLES3.0只支持顶点着色器和片段着色器
OpenGL通过编译和链接生成着色器程序
OpenGL渲染的大致流程
1. 顶点着色器对传入的顶点数据进行运算
2. 通过图元装配将顶点转化为图元
3. 光栅化处理，将图元这种矢量图形转换为栅格化数据
4. 将栅格化数据传入片段着色器，片段着色器会对光栅化数据中每一个像素进行运算，并决定像素点的颜色

8.1.顶点着色器(VertexShader)

一般用来处理每个顶点的变换(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的变换、逐个顶点光照运算等等。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。

8.2. 片元着色器(FragmentShader)

一般用来处理图形中每个像素点颜色的计算和填充

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

9. GLSL(OpenGl Shading Language)

OpenGL着色语言是用来在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，代替了固定渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程行。比如：视图转换、投影转换等。GLSL的着色器代码分成两个部分：顶点着色器和片段着色器

10. 光栅化(Rasterization)

光栅化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像的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区的一像素。

光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。片元中的每一个元素对应帧缓存区中的一个像素。

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工作。第一部分：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：分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。光栅化的过程产生的是片元

把物体的数学描述以及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

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，对应帧缓存区的一个像素
光栅化是一种把几何图元变为二维图像的过程，该过程包含了两步：
1. 决定窗口坐标中的哪些整形栅格区域被基本图元占用
2. 分配一个颜色和一个深度值到各个区域
光栅化是把物体的数学描述及物体的颜色信息，转换为屏幕上对应位置像素以及填充像素的颜色
光栅化是一个将模拟信号转化为离散信号的过程

11. 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，为了使场景更加逼真。这里使用的图片就是常说的纹理，但是OpenGL我们更加习惯叫纹理而不是图片。

纹理是在渲染时为了使场景更加逼真，填充的图片。

12. 混合(Blending)

在测试阶段之后，如果像素依然没有被剔除，那么像素的颜色会和帧缓冲区中颜色上附着的颜色进行混合，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。

13. 变换矩阵(Transformation)

图形想发生平移，缩放，旋转变换，就需要使用变换矩阵。

14. 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

15. 渲染上屏/交换缓存区(SwapBuffer)

渲染缓冲区一般映射的是系统的资源比如窗口。如果将图形直接渲染到窗口对应的渲染缓冲区，这可以将图像显示到屏幕上。

但是，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后，通过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，因此为了防止交换缓冲区的时候屏幕上下区域的图像分属两个不同的帧，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才能进行下一帧的渲染，使得帧率无法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缓冲区，而垂直同步发生时，屏幕缓冲区和最近渲染完成离屏缓冲区交换，实现充分利用硬件性能的目的