OpenGL专业名词解释

Context(上下文)

• 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.

状态机

• 状态机是理理论上的一种机器.状态机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，条件及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列以及对那 些状态事件的响应

状态机特性

• 有记忆功能，能记住其前的状态
• 可以接收输入，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，变不再接收输入，停⽌工作

OpenGL中状态机的作用

• OpenGL可以记录⾃己的状态(如当前所使用的颜色、是否开启了了混合 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

渲染

• 将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫做渲染(Rendering)

顶点数组( VertexArray ) 和 顶点缓冲区( VertexBuffer )

• 画图⼀般是先画好图像的骨架，然后再往骨架里面填充颜色，这对于 OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架，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、三⻆角形。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，在调⽤用绘制⽅方法的时候，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
• 顶点指的是我们在绘制⼀一个图形时,它的顶点位置数据.⽽而这个数据可以直接 存储在数组中或者将其缓存到GPU内存中

着色器

着⾊器的渲染过程

在渲染过程中，必须存储2种着⾊色器器，分别是顶点着⾊色器器、⽚片元着⾊色器器。顶点着⾊色器器是第⼀一个 着⾊色器器、⽚片元着⾊色器器是最后⼀一个。顶点着⾊色器器中处理理顶点、⽚片元着⾊色器器处理理像素点颜⾊色

着⾊器程序Shader

• 就全⾯面的将固定渲染管线架构变为了了可编程渲染管线。因此，OpenGL在实 际调⽤用绘制函数之前，还需要指定⼀一个由shader编译成的着⾊色器器程序。常 ⻅见的着⾊色器器主要有顶点着⾊色器器(VertexShader)，⽚片段着⾊色器器 (FragmentShader)/像素着⾊色器器(PixelShader)，⼏几何着⾊色器器 (GeometryShader)，曲⾯面细分着⾊色器器(TessellationShader)。⽚片段着⾊色 器器和像素着⾊色器器只是在OpenGL和DX中的不不同叫法⽽而已。可惜的是，直到 OpenGLES 3.0，依然只⽀支持了了顶点着⾊色器器和⽚片段着⾊色器器这两个最基础的着⾊色 器器。
• OpenGL在处理理shader时，和其他编译器器⼀一样。通过编译、链接等步骤，⽣生 成了了着⾊色器器程序(glProgram)，着⾊色器器程序同时包含了了顶点着⾊色器器和⽚片段 着⾊色器器的运算逻辑。在OpenGL进⾏行行绘制的时候，⾸首先由顶点着⾊色器器对传⼊入 的顶点数据进⾏行行运算。再通过图元装配，将顶点转换为图元。然后进⾏行行光 栅化，将图元这种⽮矢量量图形，转换为栅格化数据。最后，将栅格化数据传 ⼊入⽚片段着⾊色器器中进⾏行行运算。⽚片段着⾊色器器会对栅格化数据中的每⼀一个像素进 ⾏行行运算，并决定像素的颜⾊色

管线

• 在OpenGL 下渲染图形,就会有经历⼀一个⼀一个节点.⽽而这样的操作可以理理解管 线.⼤大家可以想象成流⽔水线.每个任务类似流⽔水线般执⾏行行.任务之间有先后顺序. 管 线是⼀一个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡在处理理数据的时候是按照 ⼀一个固定的顺序来的，⽽而且严格按照这个顺序。就像⽔水从⼀一根管⼦子的⼀一端流到 另⼀一端，这个顺序是不不能打破的

固定管线/存储着⾊色器器

• 在早期的OpenGL 版本,它封装了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⼀一 个业务.这时将相关部分开放成可编程

顶点着⾊器 VertexShader

• ⼀一般⽤用来处理理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)
• 顶点着⾊色器器是OpenGL中⽤用于计算顶点属性的程序。顶点着⾊色器器是逐顶点运 算的程序，也就是说每个顶点数据都会执⾏行行⼀一次顶点着⾊色器器，当然这是并 ⾏行行的，并且顶点着⾊色器器运算过程中⽆无法访问其他顶点的数据
• ⼀一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。顶点坐标由⾃自身坐标系转换到归⼀一化坐标系的运算，就是在这 ⾥里里发⽣生的

片元着⾊器程序 FragmentShader

• ⼀一般⽤用来处理理图形中每个像素点颜⾊色计算和填充
• ⽚片段着⾊色器器是OpenGL中⽤用于计算⽚片段(像素)颜⾊色的程序。⽚片段着⾊色器器是 逐像素运算的程序，也就是说每个像素都会执⾏行行⼀一次⽚片段着⾊色器器，当然也 是并⾏行行的

GLSL (OpenGL Shading Language)

• OpenGL着⾊色语⾔言(OpenGL Shading Language)是⽤用来在OpenGL中着⾊色编程 的语⾔言，也即开发⼈人员写的短⼩小的⾃自定义程序，他们是在图形卡的GPU (Graphic Processor Unit图形处理理单元)上执⾏行行的，代替了了固定的渲染管 线的⼀一部分，使渲染管线中不不同层次具有可编程性。⽐比如:视图转换、投 影转换等。GLSL(GL Shading Language)的着⾊色器器代码分成2个部分: Vertex Shader(顶点着⾊色器器)和Fragment(⽚片元着⾊色器器)

光栅化Rasterization

• 是把顶点数据转换为⽚片元的过程，具有将图转化为⼀一个个栅格组成的图象 的作⽤用，特点是每个元素对应帧缓冲区中的⼀一像素。
• 光栅化就是把顶点数据转换为⽚片元的过程。⽚片元中的每⼀一个元素对应于帧 缓冲区中的⼀一个像素。
• 光栅化其实是⼀一种将⼏几何图元变为⼆二维图像的过程。该过程包含了了两部分 的⼯工作。第⼀一部分⼯工作:决定窗⼝口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元 占⽤用;第⼆二部分⼯工作:分配⼀一个颜⾊色值和⼀一个深度值到各个区域。光栅化 过程产⽣生的是⽚片元
• 把物体的数学描述以及与物体相关的颜⾊色信息转换为屏幕上⽤用于对应位置 的像素及⽤用于填充像素的颜⾊色，这个过程称为光栅化，这是⼀一个将模拟信 号转化为离散信号的过程

纹理

• 纹理理可以理理解为图⽚片. ⼤大家在渲染图形时需要在其编码填充图⽚片,为了了使得 场景更更加逼真.⽽而这⾥里里使⽤用的图⽚片,就是常说的纹理理.但是在OpenGL,我们更更加 习惯叫纹理理,⽽而不不是图⽚片

混合(Blending)

• 在测试阶段之后，如果像素依然没有被剔除，那么像素的颜⾊色将会和帧缓 冲区中颜⾊色附着上的颜⾊色进⾏行行混合，混合的算法可以通过OpenGL的函数进 ⾏行行指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的，如果需要更更加复杂的混合 算法，⼀一般可以通过像素着⾊色器器进⾏行行实现，当然性能会⽐比原⽣生的混合算法 差⼀一些

变换矩阵(Transformation)

• 例例如图形想发⽣生平移,缩放,旋转变换.就需要使⽤用变换矩阵

投影矩阵Projection

• ⽤用于将3D坐标转换为⼆二维屏幕坐标,实际线条也将在⼆二维坐标下进⾏行行绘制

渲染上屏/交换缓冲区(SwapBuffer)

• 渲染缓冲区⼀一般映射的是系统的资源⽐比如窗⼝口。如果将图像直接渲染到窗⼝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，如果每个窗⼝口只有⼀一个缓冲区，那么在绘制过程中屏幕进行了了刷新，窗⼝口可能显 示出不不完整的图像

• 为了解决这个问题，常规的OpenGL程序⾄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 不不同的帧，因此交换一般会等待显示器器刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中进⾏行行交换，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 ⽆无法完全达到硬件允许的最⾼高⽔水平。为了了解决这个问题，引⼊入了了三缓冲区技术，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 现充分利利用硬件性能的⽬目的