1.OpenGL 环境搭建与基本名词概念

一、环境搭建

准备资源

GLTools

glew 

libGLTools.a

链接: https://pan.baidu.com/s/1vL0WsvilTx9R6tGiNlo6gA 密码: a3m8

1.新建一个macOS App。

2.下载下来的资源直接拖到项目中。

3.添加OpenGL.framework 和GLUT.framework两个系统库。

路径：TARGETS -> BuildPhases -> Link Binary With Libraries

4.添加GLTools， glew.h

直接拖入项目中的 include 和libGLTool.a文件 到 Header Search path 中

路径：TARGETS -> Build Setting -> 搜索（Header Search path ）

5.删除无用文件。

6.新建一个c++文件。

7. c++文件名称 为 main.app。

8. 简单的一个三角形，ok 完成了。

demo在链接中，可自行下载。

二、OpenGL专业名词介绍

1.图形API介绍：

OpenGL(Open Graphics Library: 开放式图形库) ,是用于渲染2D, 3D矢量图的跨编程, 跨平台的编程图形程序接口,它将计算机的资源抽象称为一个个OpenGL的对象, 对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令.常用于CAD, 虚拟现实,科学可视化程序和电子游戏开发。

 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, 去除了许多不必要和性能较低的API接口。

DirectX和Metal: DirectX 是由很多API组成的, 并不是一个单纯的图形API, 且是属于Windows, 不支持别的平台. Metal是Apple推出的一个新的平台技术, 该技术能够为3D图像提高10倍的渲染性能。

2.专业名词解释：

上下文（Context）：

     1.在应用程序调用任何OpenGL的指令之前，首先需要创建一个上下文，这个上下文其实是一个庞大状态机，保存了OpenGL中的各种状态，比如颜色，纹理，混合之类的，这也是OpenGL指令执行的基础。

     2.OpenGL的函数不管在哪个语言中，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个状态或者对象进行操作，需要将这个对象设置为当前对象。

     3.由于OpenGL是一个非常庞大的状态机，切换上下文会产生比较大的开销。  一般情况下， 不同的绘制模块， 需要使用完全独立的状态管理。 因此， 可以再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，这样比反复切换上下文， 或者大量修改渲染状态， 更加合理高效。

OpenGL状态机：

 状态机是存在理论上的一种机器，直接解释的话这个状态机是描述了一个对象在其生命周期内所经历的各种状态，状态的改变，以及状态发生改变的原因，条件和状态改变时的过程。它具有以下特点：

1、有记忆功能，能记住当前的状态

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，并且可以有对应输出。

3、当进入特殊状态（停机状态）的时候，便不再接收输入，停止工作

OpenGL就可以当做是这样的一个机器，类推过来理解：

 1、OpenGL可以记录自己的状态（比如当前所使用的颜色，是否开启了混合功能等）

 2、OpenGL可以接收输入（当调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接收我们的输入），比如我们在调          用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的当前颜色这个状态

 3、OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的

渲染：

将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫渲染（Rendering）

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

 画图一般是先画好骨架，然后再去填充颜色，这对于OpenGL来说也是一样的，顶点数据就是这个骨架。OpenGL中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（所有图形都是由这些组成）。这些图形的顶点数据储存的地方是存在内存中的，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据，这个也就是顶点数组。而我们知道OpenGL是直接操作GPU的语言，所以有一个更加高效的做法，提前分配一块显存，将顶点数据提前传入到显存中，这部分的显存就称为顶点缓冲区。

着色器程序Shader

1、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。常⻅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OpenGLES 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。

2、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元着色器的运算逻辑，在OpenGL进行绘制的时候，1.首先由顶点着色器对传入的顶点数据进行运算。2.再通过图元装配，将顶点转换为图元。3.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，并决定像素颜色。

管线

在OpenGL下渲染图形，就会有经历一个一个节点。这个操作就可以理解为管线。其实就是像流水线一样，任务是有先后顺序，严格按着这个顺序一步一步去执行。管线是一个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡处理数据的时候是按照一个固定的顺序来的，这个顺序是不能被打破的。

固定管线/存储着色器

早期的OpenGL版本，封装了很多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，来帮助开发者完成对图形的渲染， 开发者只需要传入相应的参数就可以快速完成渲染。类似于使用工厂的模具只需要选择不同的模具去生产，不需要知道怎么生产模具。  由于OpenGL使用场景非常丰富，固定管线和shader无法满足很多业务，所以一些相关部分开放为可编程。

顶点着色器 VertexShader

1、一般用来处理图形每个顶点变换（旋转、平移、投影等）

2、顶点着色器是OpenGL中用于计算顶点属性的程序，且每个顶点数据都会执行一次顶点着色器，是并发执行的。

3、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。顶点坐标由自身坐标系转换到归一化坐标系的运算，就是再这里发生的。

片元着色器

1、一般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充

2、片元着色器是OpenGL中用于计算片段（像素）颜色的程序。片元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元着色器，也是并发执行的。

GLSL（OpenGL Shading Language）

OpenGL 着色语言。 是用来在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）

光栅化Rasterization

1、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。

2、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于帧缓冲区中的⼀个像素。

3、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。

4、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。

纹理

纹理其实我们也叫做图片，让我们在渲染图形时，需要在其编码填充图片，让场景更加逼真，在这里叫做纹理。

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。

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。

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。

渲染上屏/交换缓冲区（SwaoBuffer）

1、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。

2、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。

3、由于显示器的刷新一般是逐步进行的，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。

4、使用了双缓冲区和垂直同步技术后，由于要等待缓冲区交换之后再进行下一阵的渲染，是的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，实现充分利用性能的目的。

着色器渲染流程

着色器渲染流程