OpenGL常见专业名词解释

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  • 图形API简介

    1. OpenGL（Open Graphics Library): 是⼀个跨编程语⾔、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
    2. 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。
    3. 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上⼀个多媒体处理框架.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.
    4. 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.Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽推出的框架
      注：冲上面的概念可以知道用于手机端开发的只有OpenGL ES 和Metal(只用在苹果手机)，但是又因为OpenGL ES其实就是OpenGL的子集，所以对于手机开发者来说主要学会OpenGL OpenGL ES Metal就行（Android可以不学习Metal）

  • OpenGL常见专业名词解释

    1. OpenGL上下⽂ (context）：
      • 在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，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.
        要点提炼：
      1. 上下文是所有OpenGL指令执行的基础（任何指令执行前都要先创建一个上下文）同时也是一个一个庞大的状态机，主要用于记录当前的各种状态，例如当前的状态是可以接受输入的，那么就可以接受输入的指令，通过输入内容和自己当前的状态来更新状态，并且可以对应输出，再例如当前是停机状态，那么就不在接受输入停止工作
      2. OpenGL的函数是面向过程的，通过对OpenGL的指令封装可以变成一个面向对象的图形API
      3. 应为切换上下文会产生较大的开销，但是呢不同上下文之间的纹理、缓冲区等资源又是共享的，所以可以分别常见多个不同的上下文
    2. 渲染: 将图形、图像转换成2D空间图像的操作叫做渲染。（平时我们看到的图片例如jpg、png都是压缩文件，解压之后图片是有很多歌像素点组成，然后解压之后还附带像素点的位置和像素点的颜色以及整个图片的顶点数组（见过专业摄影的人精修图图片其实就是在操作么个像素点，改变像素点的饱和度啊颜色啊，使照片效果更好）将这些像素点组成一张照片的过程就叫做渲染
    3. 顶点数组(VertexArray)和 顶点缓冲区VertexBuffer:画图⼀般是先画好图像的⻣架，然后再往⻣架⾥⾯填充颜⾊，这对于OpenGL也是⼀样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架，和现实中不同的是，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、三⻆形。那这些顶点数据最终是存储在哪⾥的呢？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，也就是说这部分数据之前是存储在内存当中的，被称为顶点数组。⽽性能更⾼的做法是，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，就被称为顶点缓冲区
      要点提炼：
      1. OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三⻆形，例如一个正方形是由两个三角形组成而不是直接一个正方形（其中有6个顶点，应为是两个三角形）
      2. 顶点数组和顶点缓冲区的区别就是一个存在内存中一个存在显存中（顶点缓冲区更加高效（GPU直接访问显存绘制并且GPU是并行的，在在内存中需要cpu读取数据而cpu是串行所以顶点缓冲区更加高效））
    4. 着⾊器程序Shader：
      • 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（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。
      • 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.
        举个例子：手机壳的生产流水线，正常的流水线肯定有很多磨具比如苹果手机的模具、小米手机的模具等，制作的过程中通过选择不同的模具来制造成不同的手机壳，这就是固定的一个管线框架，如果模具不是固定的几种而是通过编程获得的模具（也就是说我们可以随便生产各种手机壳）这个获得模具的程序就是OpenGL由shader编译成的着⾊器程序
    5. 管线:在OpenGL 下渲染图形,就会有经历⼀个⼀个节点.⽽这样的操作可以理解管线.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⼀个固定的顺序来的，⽽且严格按照这个顺序。就像⽔从⼀根管⼦的⼀端流到另⼀端，这个顺序是不能打破的
      注：可以将管线想成流水线（两者很相似）
    6. 固定管线/存储着⾊器:在早期的OpenGL 版本,它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. 类似于iOS开发会封装很多API,⽽我们只需要调⽤,就可以实现功能.不需要关注底层实现原理。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完成每⼀个业务.这时将相关部分开放成可编程；
      还是上面说过的那个例子：生产手机壳，手机壳的模板有很多个，生产的时候选择现有模板的其中一个进行生产这样的流水线就叫固定管线
    7. 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。
        说白了顶点着色器就是用来确定图形的位置的，通过给到的顶点数组计算出相应的位置，同时也可以通过更改顶点数组进而修改图形的位置亦或者是平移、旋转、投影等
    8. ⽚元着⾊器程序 FragmentShader：
      • ⼀般⽤来处理图形中每个像素点颜⾊计算和填充
      • ⽚段着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段（像素）颜⾊的程序。⽚段着⾊器是逐像素运算的程序，也就是说每个像素都会执⾏⼀次⽚段着⾊器，当然也是并⾏的
        要点提炼：片元着色器就是处理像素点的颜色简单说就是给像素点上色的
    9. GLSL (OpenGL Shading Language): OpenGL着⾊语⾔（OpenGL Shading Language）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）
    10. 光栅化Rasterization：
      • 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。
      • 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
        要点提炼：光栅化其实就是将图元转换成片元的一个过程，这个过程起就是往图元中填入像素点最后生成片元，举例：三条线组成的三角形图片，图元的时候其实只能看见一个三角形的框架光栅化之后能就能看到这个三角形被像素点填满只不过没有颜色，上色的过程是在片元着色器中处理的
    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.
      可以这样理解纹理即图片
    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.
    13. 变换矩阵： 例如图形想发⽣平移,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. OpenGL 投影⽅式：
      • 透视投影：其实就是人的眼睛看到的东西就是透视投影遵循远大近小
      • 正投影：将物体一比一的呈现（有点像照镜子一样，一比一呈现）
    16. 坐标：
      • 物体坐标：从物体的一角作为圆点的坐标系，记录这个物体的长宽高。
      • 世界坐标：相当于这个物体在某一块区域的坐标，坐标轴的圆点是区域的一个角，记录这个物体在这块区域的绝对位置
      • 观察者坐标：视口所能看到的区域中这个物体的绝对位置，坐标轴的原点就是视口看见区域的一个角
      • 规范化设备坐标：就是记录物体在设备显示局域中的坐标
      • 屏幕坐标：就是记录物体在屏幕中的位置
        下图可以帮助理解坐标

  • 着色器的渲染流程（帮助理解上述概念）

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