图形笔记-OpenGL名词解析

发表于

首先通过百度百科来了解OpenGL的大致介绍

OpenGL（英语：Open Graphics Library，译名：开放图形库或者“开放式图形库”）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来绘制从简单的图形比特到复杂的三维景象。而另一种程序接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。

类似的其它图形API还有以下三种：

1、OpenGL ES

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。

2、DirectX (只应用于Windows平台)

DirectX 是由很多API组成的，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。

3、Metal

Metal 是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。Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽而推出的框架。

苹果自14年推出Metal之后，就已经很明确的告诉大家，在极限性能方面，Metal的表现是要更加的出色的。因为他们对Metal做了很多针对性的优化，让他在iOS的设备上能有一个更完美的发挥。 这里也可以看出，Metal是可以取代OpenGL ES的。但是现在市场上面，依然还是OpenGL ES的使用率更高。所以OpenGL ES和Metal的关系就有点像是Objective-C和Swift的关系一样。

以上几种API是我们开发者唯一接近GPU的方式，它们解决问题的本质都是利用GPU芯片来高效的渲染图形图像。

其主要的应用包含以下几点：

  • 游戏开发：对于游戏人物、游戏场景的渲染。
  • 音视频开发：视频解码后的数据渲染、为视频图像加上滤镜效果。
  • 地图引擎：地图相关数据的渲染。
  • 动画：实现动画的绘制。PS : CoreAnimation框架曾经采用的就是OpenGL,现已移植到Metal

所以、OpenGL依旧是我们值得学习的重要图形API。接下来便介绍其入门级基础概念。

OpenGL上下文（Context）

在应用程序调用任何OpenGL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语言一样的面向过程的函数，本质上面都是对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。当然你得首先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，更加合理高效的。

OpenGL状态机

状态机描述了一个对象在其生命周期中所经历的各种状态，状态之间的转变，发生转变的动因，条件以及转变中所执行的活动。

状态机也是一种行为，说明对象在其生命周期中相应事件所经历的状态序列以及对那些状态事件的相应。

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的原先状态，修改自己当前状态，并且可以有对应输出
  • 当进入特殊状态（停机状态）的时候，便不再接收输入，停止工作。

实际类比到OpenGL可以理解为

  • OpenGL可以记录自己的状态（如当前所使用的颜色、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接收到这个输入后会修改自己的“当前颜色”这个状态；
  • 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。

比如当我们调用以下函数，通过设置后，OpenGL会保持设置后的状态，直到再次被设置。

1
2
3
4
1、使用glColor*函数来选择一种颜色，以后绘制的所有物体都是这种颜色，除非再次使用glColor*函数重新设定。
2、使用glTexCoord*函数来设置一个纹理坐标，以后绘制的所有物体都是采用这种纹理坐标，除非再次使用glTexCoord*函数重新设置。
3、使用glBlendFunc函数来指定混合功能的源因子和目标因子，以后绘制的所有物体都是采用这个源因子和目标因子，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
4、使用glLight*函数来指定光源的位置、颜色，以后绘制的所有物体都是采用这个光源的位置、颜色，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
渲染 (Rendering)

数据可视化，将图形/图像数据转换成3D空间图像的操作。

例如，在图片或者视频进行解码之后，形成了一大堆的二进制文件，然后我们将这一堆的二进制文件显示到屏幕上面的过程就可以理解为渲染。

顶点数组（VertexArray）

顶点是指我们画图过程中的先画的雏形中的点，类似于三角形的三个顶点，顶点数组就是存储这些顶点数据。在OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有三种图元：点、线、三角形。我们通过设定函数的指针，将顶点数据存储在内存中，然后需要绘制的时候，直接从内存中取出来使用。这一部分的数据其实就是顶点数组。

顶点缓冲区（VertexBuffer）

我们在调用绘制方法的时候，直接就由内存传入顶点数据。还有一种更加高性能的方法，就是提前分配一快内存，将顶点数据预先传入到显存当中，这部分的显存，就叫做顶点缓冲区。

管线

我们的GPU在处理数据的时候，是通过一个固定的顺序来的，这个顺序不能被打破。类似一个流水线的形式，所以被称之为管线。顺序指渲染流程。刚开始我们会以固定管线学习，而不用去关注GLSL语法。

固定管线/存储着色器

在早期的OpenGL版本，它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。

着色器程序Shader

类比于画完图形骨架后给图形上色的工具。固定渲染管线架构==> 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。OpenGL在处理shader时，和其他编译器一样。通过编译、链接等步骤。常见的着色器有以下几种：

  • 顶点着⾊器(VertexShader)：着色顶点。
  • ⽚段着⾊器 (FragmentShader)/像素着⾊器(PixelShader)/片元着色器：着色像素。
  • ⼏何着⾊器 (GeometryShader)
  • 曲⾯细分着⾊器(TessellationShader)
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。顶点着色器是逐个顶点运算的程序，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包括顶点坐标变换、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做标记的运算，就是在这里发生的。

片元着色器（FragmentShader）
  • 处理图形中每个像素点颜色计算和填充
  • 逐个像素运算的程序，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。
GLSL（OpenGL Shading language)

用来在OpenGl中着色编程的语言，类似于C语言。他们是在图形卡的GPU（Graphic Proccessor 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的着色器代码分成两个部分：顶点着色器和片段着色器

光栅化（Rasterization）

把顶点数据转换成片元的过程，具有将图转化成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中的一个像素。

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：决定了窗口坐标中哪些整型格栅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。

纹理

纹理可以理解为一个图片，也就是位图。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。

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)

图形通过变换矩阵发生平移，缩放，旋转变换等动作。

投影矩阵（Projection）

3维 ==> 2维

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(SwapBuffer)

当我们想把一个图像渲染到窗口的时候，GPU会开辟一个渲染缓冲区。但是每一个窗口又只有一个缓冲区，那么如果在绘制的过程中屏幕进行了刷新，窗口显示的画面就有可能不完整。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。在iOS中经常遇到的离屏渲染，其实就是双缓冲区的机制引起的。如果这方面有疑问的，可以移步iOS 保持界面流畅的技巧去了解。

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。

总结

以上名词初次接触可能比较抽象，但是他们是后续学习的基础。之后会通过实际的OpenGL操作进一步加深理解。