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OpenGL(一)

OpenGL常见的专有名词

在学习OpenGL之前让我们来快速的了解一下OpenGL常见的专有名词。 概念: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成为一个个的OpenGL对象,对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。

(一)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的各种状态,这也是OpenGL指令执行的基础。由于OpenGL的上下文是一个庞大的状态机,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,反复切换上下文,或者大量修改渲染状态,就可以更加合理高效。

(二)状态机

  • 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以及对那些状态事件的响应。

状态机的特点: 1).有记忆功能,能记住起当前的状态。 2).可以接收输入,根据输入的内容和自己的原先状态,修改自己的状态,并且可以有对应输出。 3).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。

(三) 渲染(Rendering)

  • 将图形/图像谁转换成3D空间图像操作叫做渲染。

(四)顶点数组(VertexArray)和顶点缓冲区(VertexBuffer)

  • 顶点数据类似于我们画画的时候,画的图像骨架,不同的是,OpenGL的图像都是由图元组成。在OpenGLES中有3种类型的图元:点、线、三角形。那这些顶点数据最终存储在哪里?开发者可以选择设定函数指针,在调用绘制方法的时候,直接有内存传入顶点数据,也就是说这部分数据之前是存储在顶点数组当中的,被称为顶点数组。而性能更高的做法是,提前分配一块显存,将顶点数据传入显存当中,这部分的显存,就被称为顶点缓冲区。

(五)管线

  • 在OpenGl下渲染图形,就会有经历一个一个节点。这样的操作可以理解为管线。每个任务都像流水线般执行,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。就像水从一个管子流向另一端,整个顺序不能打破。

(六)着色器(Shader)

  • 就全面的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此在OpenGL在调用绘制函数之前,还需要指定一个由Shader编译称的着色器程序。常见的着色器有顶点着色器(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。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,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处理绘制的时候,首先由顶点着色器对传入的顶点数据进行计算。再通过图元装配,将顶点转化为图元。然后进行光栅化,将图元这种矢量图形,转化为光栅化数据。最后将光栅化数据传入片段着色器中进行计算。片段着色器会对光栅化中每一个数据进行运算,并决定像素的颜色。
  • 顶点着色器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
  • 片段着色器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个片段着色器,当然也是并行的。
  • GLLS(OpenGL Shading Language)OpenGL着色语言(OpenGL Shading Languege)是用来在OpenGL着色的语言,也即开发人员写的短小的自定义程序。他们是在图形卡上的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,是渲染管线中不同层次具有可编程性。比如:试图转换、投影转换等。GLSL(GL Shading Language)的着色器器代码分成2个部分: Vertex Shader(顶点着色器)和Fragment(片断着色器)。

(七)光栅化(Rasterization)

  • 是把顶点数据转化为片元数据的过程,具有将图转换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的一个像素。
  • 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帧缓冲区的一个像素。
  • 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的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。

(八)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,为了使场景更加逼真。而这里使用图片,就是常说的纹理。但是在OpenGL中,我门更习惯叫纹理,而不是图片。

(九)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.

(十)变换矩阵(Transformation)

  • 例如图形想发生平移,缩放,旋转变换,就需要用变换矩阵。

(十一)投影矩阵(Projection)

  • 用于3D左边转换为二维屏幕左边,实际线条也将在二维屏幕坐标下绘制。

(十二)渲染缓冲区/交换缓冲区(SwapBuffer)

  • 渲染缓冲区一般映射的事系统的资源,例如窗口。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,窗口可能显示不出完整的图像。
  • 为了解决这个问题,常规的OpenGL程序至少都会有两个缓冲区。显示在屏幕上的被称为屏幕缓冲区,没有显示在屏幕上的被称为离屏缓冲区。在一个缓冲区渲染完成后,通过屏幕缓冲区和离屏缓冲区交换,实现图像在屏幕上离屏显示。
  • 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过程中交换,这个信号被称为垂直同步信号,这个技术被称为垂直同步。
  • 使用了双缓存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。
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