OpenGL 中的专业名词理解(一)

上下⽂: 上下文是一个庞大的状态机,保存了OpenGL 中的各种状态,是OpenGL 指令执行的基础,所以应用程序在调用任何OpenGL 指令之前,需要创建一个上下文;OpenGL 的函数不管在哪种语言中,都是类似C语言一样的面向过程的函数,本质上都是OpenGL 上下文这个庞大的状态机中某个状态的或者对象进行操作;上下文是一个庞大的状态机,切换上下文会造成很大的开销,但是不同的绘制模块,可能需要使用完全独立的状态管理(上下文),因此,在应用程序中可以创建多个上下文,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。这样的方案会比反复切换上下文、或者大量修改渲染状态,更加高效合理。

渲染: 将图形/图像数据转换成2D空间图形操作渲染。

顶点数组(VertexArray): 存储在内存当中的图形的顶点坐标数据的数组;顶点是OpenGL 绘图中图形的骨架,然后在骨架中填充颜色,就可以完成图形绘制。

顶点缓存区: 为了提高绘制性能,提前分配一块显存,将顶点数据预先存放到显存中,这部分显存就称为顶点缓存区

管线: 在OpenGL中绘制图形过程中所执行的所有指令共同组成了完成图形绘制的管线,而且是严格按照顺序执行的指令集合;就像工厂中的生产线,按次序完成所有流水线的操作,最终才能得到完整的产品;各流水线、以及流水作业中的操作、操作顺序共同组成的集合叫管线。

固定管线: OpenGL 封装提供给开发者的某种特定图形的管线,开发者只需要传入相应的参数,就能完成图形绘制;固定管线中封装了包含光照、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定shader。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满足每一个业务场景.这时就需要将相关部分开放成可编程;

着⾊器: 为了全面地将固定渲染管线架构变成可编程渲染管线,OpenGL 在实际调用绘制函数之前,还需要指定一个由Shader编译成的着色程序,这种着色程序被叫做着色器,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,直到OpenGL  3.0,还是只支持最两个最基础的顶点着色器和片元着色器。与其他编译器一样,通过编译、链接生成了着色器程序(glProgram),着色程序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。

固定着⾊器(存储着⾊器) :早期的OpenGL 版本中,封装了很多种着色器程序块内置的一段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定Shader来完成图形绘制,而开发者只需要传入相关的参数,就能完成渲染,不用关注具体的实现代码。

⾃定义着⾊器: 由于OpenGL 使用场景多变,固定着色器,无法完成每一个场景的义务需求时,开放的可编程的着色器程序,即自定义着色器。

顶点着⾊器(VertexShader):一般用于处理图形每个顶点 变换(平移、缩放、投影等),顶点着色器是OpenGL 中用于计算顶点属性的程序,也就是说每个顶点都会执行一次顶点着色器,并且是并行执行的,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,典型的需要计算顶点的属性包括顶点坐标变换、顶点光照运算等,顶点坐标由自身坐标转换到归一化坐标系的运算,就是在顶点着色器中完成的。

⽚元着⾊器: 一般用于处理图形中每一个像素点的颜色和填充,片段着色器是OpenGL中用于处理片段(像素)颜色的程序,片段着色器是逐像素运算的程序,也就是说每一个像素都会执行一次片段着色器,当然也是并行执行的。

GLSL(OpenGL Shading Language ):OpenGL 着色语言,是用来在OpenGL中编程的语言,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: 是把顶点转化成片元的过程,具有将图转化成一个个的栅各组成的图像的作用,特点是每个元素对应帧缓冲区中的⼀像素。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于帧缓冲区中的⼀个像素。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。

纹理: 纹理即是在渲染图时需要在其编码图片,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。

混合: 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) : 图形发⽣平移,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。

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。

坐标系: OpenGL  中有二维笛卡尔坐标系、三维笛卡尔坐标系;通常用于显示OpenGL 绘制图形的窗口,我们叫住视口;OpenGL 中坐标系的变换主要是由物体坐标系->模型变换->世界坐标系->视变换->观察者坐标系->投影变换->裁剪坐标->透视除法->规范化设备坐标->视口变换->屏幕坐标;最终呈现我们看到的渲染结果。

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