OpenGL 第一课：常用的专有名词

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一. 图形API简介

1. OpenGL

    OpenGL全称：Open Graphics Library，是一个跨平台的、跨编程语言的编程图形程序接口。其将计算机的资源抽象称为一个个的OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。

    简单的说就是一套处理PC端图形图像渲染的API。

    适用于：PC

ps: OpenGL vs OpenCV                                                                                           OpenGL: 是做渲染，转换为位图渲染显示。                                                           OpenCV: 是做识别的（比如：人脸识别，身份证、银行卡识别），与人工智能结合。

2. OpenGL ES

OpenGL ES全称：OpenGL for Embedded Systems，是OpenGL三维图形API的子集。针对移动端（iOS/安卓）、PDA和游戏主机等嵌入式设置而设计，去除了许多不必要和性能较低的API接口。

适用于：嵌入式设备

3. DirectX

    DirectX是有很多API组成，DirectX并不是一个单纯的图形API，最重要的是DirectX是属于Windows上一个多媒体处理框架，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

    适用于：Windows

4. Metal

    Metal是Apple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倍的渲染性能，是Apple为了解决3D渲染而推出的框架。

    Metal和OpenGL ES :

        2018年之前，iOS的底层图形渲染是CoreAnimation，是基于OpenGL ES封装的上层框架，2018年之后，底层渲染迁移到了Metal。

        OpenGL ES是第三方框架，不一定契合自己的项目，Metal可以定制需求，迭代开发

图形API的左右

图形API能解决什么问题？

简单的说，就是实现图形的底层渲染。

* 比如游戏开发中，对于游戏场景游戏人物的的渲染

* 比如音视频开发中，对于视频解码后的数据渲染

* 比如地图引擎，对于地图上的数据渲染

* 比如在动画中实现动画的绘制

* 比如在处理视频中，对于视频添加滤镜效果

二. OpenGL 专业名词解析

1. OpenGL 状态机

    状态机：理论上是一种机器，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事件所经历的状态序列以及对那些事件的响应。

    简单的可以理解为：是一台可以保存状态，并根据当前状态进行输出的机器。

    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的原先状态，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）的时候，便不再接受输入，停止工作。

    类推到 OpenGL 中：

        * OpenGL 可以记录自己的状态（如：当前使用的颜色，是否开启了混合功能等）

        * 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），如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后修改自己的当前这个状态。

        * OpenGL 可以进入停止状态，不在接收输入。在程序退出之前，OpenGL总会先停止工作的。

2. OpenGL 上下文 ( context )

        在应用程序调用任何OpenGL指令之前，需要首先安排创建一个OpenGL的上下文，这个上下文是一个庞大的状态机，保存了OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL指令执行的基础。

        不管在哪个语音中，OpenGL的函数，都是类似C语言一样的面向过程的函数，本质上都是对OpenGL上下文这个状态机中的某一个状态或者对象的操作，当然，需要先把这个对象设置为当前对象。通过对OpenGL指令的封装，是可以将OpenGL的相关调用分装成一个面向对象的图形API。

        由于OpenGL是一个巨大的状态机，切换上下文会产生较大的开销。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、缓冲区资源等。这种方案比反复切换上下文或者大量修改宣传专题，更加合理高效。

3. 渲染（Rendering）

    渲染：将图形/图像数据转换为2D空间图像操作叫做渲染（Rendering）

4. 顶点数组（VertexArray）& 顶点缓存区（VertexBuffer）

        图画一般是先话好图像的骨架，再填充颜色，对应OpenGL也一样。顶点数据就是要画的图像的骨架。比如，要画一个三角形，需要三个顶点，这个三个顶点就是顶点数据。

        OpenGL的图像是有图元构成，在OpenGL ES中有三种图元：点、线、三角形。

        开发者可以选择指定的函数指针，在调用绘制方法的时候，直接有内存传入顶点数据，也就是说这部分数据之前是存在在内存中的，被称为顶点数组

        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，称为顶点缓存区

        顶点是在绘制一个图形时，它的顶点位置数据，而这个数据可以直接存在在数组中，或者将其缓存到GPU内存中。

        顶点数组是内存中的一个数组，顶点缓冲区是GPU显存中的一块区域。

5. 管线

    在OpenGL下渲染图形，就会经历一个一个的节点，而这样的操作可以理解为管线，可以类比为流水线，每个任务类似流水线执行，任务之间有先后顺序。

    之所以成为管线，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，而且是严格按照这个顺序，就像水管，水从一端流向另一端，顺序不能打破。

6. 固定管线 和 可编程管线

        在早起OpenGL版本，封装了很多中着色器程序块，内置的一段代码包含了光照、坐标变换，裁剪等诸多功能的固定着色器来帮助开发者完成图形的渲染，而开发者只需要传入相应的参数，就能快速的完成图形渲染。类似于封装很多API，只要调用，就可以实现功能，不需要关注底层原理，这被称为固定管线或者存储着色器

        随着OpenGL的使用场景的丰富，固定管线或者存在着色器无法完成每一个业务，这个将相关部分开放成可编程，称为可编程管线，使用GLSL语法来编程驱使GPU。

7. 着色器（shader）

    将固定宣传管线变成了可编程渲染管线

    OpenGL在实际调用绘制函数之前，需要指定一个由shader编译而成的着色器（代码段），由GPU执行，可以类比为：函数和方法是一段代码段，由CPU来使用。着色器）也是代码段，由GPU执行。

    常见的着色器主要有：

        顶点着色器（VertexShader）

        片段着色器（FragmentShader），又叫像素着色器（PixelShader），只是在OpenGL和Dx中不同的叫法。

        曲面细分着色器（TessellationShader）

        OpenGL在处理shader时，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进行绘制时，先有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进行运行，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。

        固定着色器：又叫存储着色器，是有苹果提供的API代码段，通过传入参数进行调用

    自定义着色器：自己通过GLSL语法自定义编程的代码段

 着色渲染过程

8. 顶点着色器（VertexShader）

        一般处理图形每一个顶点变换，比如：旋转、平移、投影等

        顶点着色器，是OpenGL中计算顶点属性的程序，顶点着色器是逐顶点运算的程序，即：每一个顶点数据都会执行一次顶点着色器，这个过程是并行的，在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到归一化坐标系的运算，就是在这里发生的。

9. 片元着色器（VertexShader）

        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用于计算像素颜色的程序，是逐像素运算的程序，图形中的每一个像素都会执行一次片元着色器，这个过程是有GPU并行运算的。

10. GLSL（OpenGL shading Language）

    GLSL是用来在OpenGL中着色器编程的语音，即开发人员自定义短小的着色器的语言，他们在图形卡的GPU上执行，代替了固定的渲染关系的一部分，是渲染管线中不同层次具有可编译性。比如：视图转换，投影转换等

    GLSL的着色器代码分为两个部分：顶点着色器和片元着色器。

11. 光栅化（VertexShader）

    光栅化：是把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换到屏幕上用于对应位置的像素以及填充像素的颜色，这个过程称为光栅化；是把顶点数据转换为片元的过程；是一个将模拟信号转化为离散信号的过程。

    光栅化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存区中的一像素。

    光栅化过程产生的是片元。

    光栅化 其实是一种将几何图元编程二维相图的过程，该过程包含了两部分的工作：

        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：分配一个颜色值和深度值到各个区域，

12. 纹理

    纹理可以理解为图片，这个图片是指的tga文件。在OpenGL更习惯叫纹理。

    在移动端要把png解压缩转换为位图，纹理就是位图。

13. 混合（Blending）

    在测试阶段之后，如果像素依然没有被踢除，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。比如：一个蓝色的layer和一个红色的

    layer两个图层进行重叠，中间叠加产生的颜色是混合计算出来的。

    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，性能比原生的混合算法差一点。

14. 变换矩阵

    记录图形想发生平移、缩放、旋转变换，就需要使用变换矩阵

    比如：一个正方形想要平移，需要四个顶点同时乘以一个矩阵，这个矩阵里存储的是平移、缩放、旋转变换的结果。

15. 投影矩阵

    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

16. 渲染上屏/交换缓冲区

        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创建对应的渲染缓冲区，则可以直接将图像显示到屏幕上

        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，窗口可以显示不出完整的图像

        为了解决这个问题，常规的OpenGL程序至少会有两个缓冲区，显示在屏幕上的称为屏幕缓冲区，没有显示在屏幕上的的称为离屏缓冲区，在一个缓冲区渲染完成后，通过将两个缓冲区交换，实现图像在屏幕上显示。

        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亲刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中进行交换，这个信号称为垂直同步信号，这个技术称为垂直同步。

        使用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。

17. 投影方式

正投影（平行投影）：图片绘制不管远近，都是1 ：1进行绘制，显示2D效果。

透视投影：远小近大的原则绘制，显示3D效果

如下图：camera并不是相机，是观察者视角。

投影方式

18. 视口

19. 坐标系

可以分为：物体坐标系、惯性坐标系、世界坐标系

坐标系的转换如下：

20.OpenGL 坐标变换全局图