音视频学习笔记十一——渲染与滤镜之OpenGL基础一

路漫漫心远
242 阅读14分钟

题记：关于OpenGL的学习还是需要从基础学起，可以参考LearnOpenGL CN给出了很多例子。本章会对OpenGL做整体导引，结合自己在学习中有疑问地方加以说明，尽量让每一位读者有所收获。本人音视频学习Demo也有OpenGL在相机、视频方面的应用，文章或代码若有错误，也希望大佬不吝赐教。

一、OpenGL概念

OpenGL（Open Graphics Library）是由Khronos组织制定并维护的规范，对于开发者而言可以理解为是一个跨平台、跨语言的图形渲染API。

OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是OpenGL的简化版本，专为移动设备、嵌入式系统而设计。

1.1 状态机

在学习OpenGL时需要首先需要理解的是状态机（初学时很容易迷惑的点），通过一系列内部状态来控制渲染流程。状态机本质：

  • 全局状态存储：状态（如顶点数据、着色器、纹理）存储在GPU的全局内存中
  • 状态驱动：绘制操作都依赖当前状态，"设置-使用"模式
  • 隐式切换：某些状态会在函数调用时自动修改（如glUseProgram切换着色器）

状态机示例

  • 顶点输入，如VAO、VBO、EBO、顶点属性指针

    /// VAO 绑定示例
GLuint vao;
glGenVertexArrays(1, &vao); // 生成vao对象
glBindVertexArray(vao); // 进入VAO状态上下文

/// 在VAO内部配置VBO
GLuint vbo;
glGenBuffers(1, &vbo); // 生成vbo对象

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo); // 进入VBO状态上下文
// 将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);
// 把顶点数据从CPU内存复制到GPU上
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(arr), arr, GL_STREAM_DRAW);

glBindVertexArray(0); // 退出VAO上下文

    这里注意glBufferData作用把顶点数据从CPU内存复制到GPU上，arr是CPU数组，但并没有GPU相关的参数，就是因为是在VBO的上下文，作用在vbo上。

  • 着色器 激活当前的顶点/片段着色器，其后的参数赋值便是在作用在这个program

    /// 使用当前着色器程序
/// loadShader(vert, frag);
/// glLinkProgram(shaderProgram);
glUseProgram(shaderProgram)

  • 纹理绑定

    glGenTextures(1, &texture);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

/// 参数texture设置
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, textureOptions.minFilter);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, textureOptions.magFilter);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, textureOptions.wrapS);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, textureOptions.wrapT);

    glTexParameterf用于设置纹理渲染属性，这里并没有指定哪个纹理的参数。而是通过前面的glBindTexture绑定了texture上，从而作用在texture上。

  • 功能启动/关闭及相关函数 如混合、深度测试、模板

    // 启用颜色混合
glEnable(GL_BLEND)
// 关闭颜色混合
glDisable(GL_BLEND)
// 设置颜色混合方式
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)

最初学习OpenGL时，理解的状态机也就是glEnable和glDisable，经常因为函数没有包含以为必须得参数而迷惑，所以这里会放在最前面，对其中涉及到的内容下文会一一讲解。

1.2 上下文

OpenGL上下文是OpenGL渲染状态和资源的容器，所有OpenGL操作（如绘制、纹理绑定、着色器编译等）都必须在当前上下文中执行。不同平台通过不同的底层API创建和管理OpenGL上下文。

  • LearnOpenGL CN创建窗口和上下文

    glfwInit();
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
glfwMakeContextCurrent(window);  // 激活上下文

  • iOS上创建上下文

    - (void)setupGL {
    //  创建上下文
    _context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
    [EAGLContext setCurrentContext:_context];
}

需要注意的是：上下文与线程绑定，同一线程同一时间只能有一个激活的上下文。此外，可以通过共享上下文实现资源（如纹理、缓冲区对象等）的复用。

1.3 渲染流程

OpenGL渲染流程将原始几何数据转化为屏幕像素的步骤，流程化的步骤就是渲染管线，渲染管线又可划分为固定管线和可编程管线，本系列主要讨论可编程管线（OpenGL ES 2.x以后就只支持可编程管线了）。

渲染流程.jpg

类比作画过程，顶点变换就是确定3D画作的点位，细分和几何着色器是可选的，并且OpenGL ES支持有限，暂时不考虑。图元转配就像画轮廓线，根据指定点、线、面画出图像边框。图形映射到屏幕上变成像素块显示，这一步就是光栅化。再将像素块一个个填充颜色，就是逐片段操作，最后写入画板（帧缓冲区）。效果就是资料上常看到的：

渲染流程效果图.jpg

着色器程序和输入是用户可操作的，其他由OpenGL完成，具体来看下：

1.3.1 顶点数据输入（Vertex Data Input）

  • 作用：向OpenGL提供顶点属性（位置、颜色、纹理坐标等）。

  • 实现方式：

    • 将顶点数据存储在顶点缓冲区对象（VBO）。LearnOpenGL中有VAO和VEO和使用。
      //前3个是顶点坐标，后2个是纹理坐标
  GLfloat attrArr[] =
  {
      1.0f, -1.0f, 0.0f,     1.0f, 0.0f,  // 右下
      -1.0f, 1.0f, 0.0f,     0.0f, 1.0f,  // 左上
      -1.0f, -1.0f, 0.0f,    0.0f, 0.0f,  // 左下

      1.0f, 1.0f, 0.0f,      1.0f, 1.0f,  // 右上
      -1.0f, 1.0f, 0.0f,     0.0f, 1.0f,  // 左上
      1.0f, -1.0f, 0.0f,     1.0f, 0.0f,  // 右下
  };
  GLuint attrBuffer;
  //(2)申请一个缓存区标识符
  glGenBuffers(1, &attrBuffer);
  //(3)将attrBuffer绑定到GL_ARRAY_BUFFER标识符上
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, attrBuffer);
  //(4)把顶点数据从CPU内存复制到GPU上
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(attrArr), attrArr, GL_STREAM_DRAW);

  • 说明：

    上述代码中给出了一个基础屏幕贴图的坐标数组（定义了6个点，每个点有5个浮点数组成，这些意义需要再后面的指定才有效，现在就是一个数组）。关于坐标变换，后续展开，这里简单说一下，先不考虑z轴和坐标变换，那么将一个纹理（图片）画到屏幕上会有如下对应。

    • 顶点坐标原位在屏幕中心
    • 纹理坐标原点在左下角（图片文件通常从左上为原点）
    坐标输入.jpg

    此外，OpenGL ES只支持点、线、三角形，而矩形需要2次绘制，所以定义了定义了6个点位（有重复），当然如果使用了索引绘图，也可以定义4个点位，然后索引指定6个点。

1.3.2 顶点着色器（Vertex Shader）

着色器程序是运行的GPU上的程序，这里先不用完全懂，只需要理解流程就可以。下一篇会专门讲解。

  • 作用：

    • 处理顶点的坐标变换（模型视图投影矩阵）。
    • 传递顶点属性（颜色、纹理坐标）到后续阶段。

  • 示例：

    顶点着色器代码如下，vec4为4维度向量，gl_Position是OpenGL内置变量，就是要绘制的点坐标，textureCoordinate透传到片段着色器这里不用：

    attribute vec4 position;
attribute vec4 inputTextureCoordinate;
varying vec2 textureCoordinate;
void main()
{
    gl_Position = position;
    textureCoordinate = inputTextureCoordinate.xy;
}

    再看一下，如何指定这些值

    // 获取着色器中对应的位置 id
GLuint position = program->attributeIndex("position");
// 启用对应的顶点属性
glEnableVertexAttribArray(position);
// 指定数据段，从0开始的3个GL_FLOAT类型，每次偏移sizeof(GLfloat) * 5, NULL)
glVertexAttribPointer(position, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, NULL);

// 获取着色器中对应的纹理 id
GLuint textCoor = program->attributeIndex("inputTextureCoordinate");
glEnableVertexAttribArray(textCoor);
// 指定数据段，从(float *)NULL + 3开始的2个GL_FLOAT类型
glVertexAttribPointer(textCoor, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (float *)NULL + 3);

  • 说明：

    • attributeIndex：这里是通过glBindAttribLocation绑定好的，也可以通过glGetAttribLocation获取，这里就可以理解为找到属性id

    • glEnableVertexAttribArray：启用属性，默认情况下，出于性能考虑，所有顶点着色器的属性（Attribute）变量都是关闭的，意味着数据在着色器端是不可见的。

    • glVertexAttribPointer原型：

      void glVertexAttribPointer(
GLuint index,          // 顶点属性位置（对应着色器中 layout(location=N)）
GLint size,            // 每个顶点的分量数量（如位置是3分量：x,y,z）
GLenum type,           // 数据类型（如 GL\_FLOAT、GL\_INT）
GLboolean normalized,  // 是否归一化整型数据到 \[0,1] 或 \[-1,1]
GLsizei stride,        // 顶点间的步长（字节数），0表示紧密排列
const void\* pointer    // 数据在缓冲区的起始偏移量（字节）
)

    注意这里没有数据源，是因为前文说的状态机，这里的操作的数据就是前面的vbo，也就是前文attrArr在显存里的Copy体。这时候attrArr才从一堆数组变成了点位。代码接上文。

    • 顶点着色器程序会处理6次（偏移为sizeof(GLfloat) * 5）
    • 每组的前3个给position，position实际是vec4，这里是对前3项赋值，第4项默认为1.0，如果是正交投影，写成vec4(position.xyz, 1.0)
    • 后2个给inputTextureCoordinate，inputTextureCoordinate实际是vec4，这里是对前2项赋值，后两项不用。

1.3.2 图元装配（Primitive Assembly）

  • 作用：将顶点按指定图元类型组装成几何形状。 在glDrawArrays指定的类型，点、线、三角形，下文就是渲染2个三角形（6个顶点）。 //12.绘图 glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
  • 可选阶段：
    • 细分着色器（Tessellation Shader） ：动态增加几何细节。
    • 几何着色器（Geometry Shader） ：修改或生成新图元（如细分三角形）。

1.3.4 光栅化（Rasterization）

  • 作用：将几何图元转换为 片段（Fragment） （像素化）。 图片来源（www.scratchapixel.com/lessons/3d-… 光栅化.jpg

  • 关键过程：

    • 裁剪（Clipping）：丢弃视口外的部分。坐标系详解
    • 透视除法：将顶点坐标从裁剪空间转换为标准化设备坐标（NDC）。坐标系详解
    • 视口变换：将NDC映射到屏幕实际像素坐标。坐标系详解
    • 插值计算：对顶点属性（颜色、纹理坐标）在片段间进行插值。
      • 顶点着色器只处理顶点（6个）
      • 光栅化后要处理渲染区域的所有像素点

1.3.5 片段着色器（Fragment Shader）

  • 作用：计算每个片段的最终颜色（含光照、纹理采样等）。
WeChat97e71c70a919822e59b929950081abb8.jpg

  • 代码示例

    片段着色器代码定义如下，textureCoordinate和顶点着色器一致，是数据顶点着色器传过来的，整体上就是一个纹理采样。

       varying highp vec2 textureCoordinate;
   uniform sampler2D inputImageTexture;
   void main()
   {
       gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);
   }

    gl_FragColor是内置变量，片段的颜色，如果是纯色就可以定义为 gl_FragColor = vec4(1.0, 0, 0, 1.0)。inputImageTexture是处理的纹理单元，先理解为纹理（图片）。texture2D就是对纹理进行采样，这里注意输入时只传了顶点的值，而片段的值就是通过插值得到的。

1.3.6 测试与混合（Per-Fragment Operations）

  • 作用：判断是否写入帧缓冲区
  • 关键测试：

    • 深度测试（Depth Test） ：丢弃被遮挡的片段

      glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LESS);

    • 模板测试（Stencil Test） ：按模板缓冲区规则过滤片段。

      glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);

    • 混合（Blending） ：透明物体的颜色混合

      glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

1.3.7 写入FrameBuffer

处理完上述操作，会被接入一个帧缓冲区，此时可以用于展示到屏幕、可以作为下一个滤镜输入、也可以通过read操作读成图片存储，在1.5节详述。

1.4 坐标空间

一般来说，资料上都会介绍如下空间系统，但实际上顶点着色器gl_Position输出的就是裁剪空间的坐标。 image.png

而上述的变换最早来自固定管线的设计，可编程管线实际没有限制（如上述例子中直接给（1.0f, -1.0f, 0.0f）这样的值），但一般会沿用这样的设计思路

gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vertexPosition;

1.4.1 坐标系统

投影变换.png

  • 模型空间（Model Space / Local Space）

    • 定义：模型的局部坐标系
    • 变换矩阵：模型矩阵（modelMatrix） ，通过平移、旋转、缩放将模型从局部坐标转换到世界坐标。

  • 世界空间（World Space）

    • 定义：全局坐标系，原点为场景的原点。
    • 作用：统一不同模型的坐标。

  • 观察空间（View Space / Camera Space）

    • 定义：以相机为原点的坐标系。
    • 变换矩阵：视图矩阵（View Matrix） ，将世界坐标转换为相机视角下的坐标。

  • 裁剪空间（Clip Space）

    • 定义：顶点经过投影后的坐标空间
    • 变换矩阵：
      • 正交投影（Orthographic） ：无透视效果
      • 透视投影（Perspective） ：模拟近大远小
    • 坐标范围：顶点坐标被映射到裁剪立方体（范围 [-w, w]），超出部分被裁剪。

  • 标准化设备坐标（NDC, Normalized Device Coordinates）

    • 转换过程：通过透视除法（即 (x/w, y/w, z/w)）将裁剪坐标转换为NDC。
    • 范围：每个坐标轴范围 [-1, 1]，超出范围的顶点被丢弃或裁剪。

  • 屏幕空间（Screen Space / Window Space）

    • 视口变换：将 NDC 映射到窗口的像素坐标。
    • 操作：通过 glViewport(x, y, width, height) 设置视口范围和深度（通常。

这种 ”模型空间->世界空间->观察空间->裁剪空间“的设计给开发带来了很大便利，尤其复杂3D场景（如苹果在桌子上，桌子在房屋内，房屋在村子里），模型矩阵也可以是多个，通过push、pop矩阵变换场景。“NDC->屏幕空间”则是OpenGL里的固定流程，开发者也不需要管理。

1.4.2 坐标变换公式

  • 基本变换（为了用矩阵实现平移变换，加了一个维度）

    • 平移，移动（tx，ty，tz）

      image.png

    • 旋转，z轴旋转m image.png

    • 缩放，n倍缩放

      image.png

  • 模型矩阵

    变换按照 缩放->旋转->平移的顺序（平移在最左边，缩放最右）。同时矩阵相乘满足结合律，所以模型矩阵可以嵌套多个，一些复杂的变化会用stack管理模型变换，进入场景push model，出场景pop。

  • 视图矩阵

    视图变换本质上也是平移和旋转，以眼睛（或摄像机）为原点，以世界坐标的某一点（一般选原点，不是原点也可以通过平移）为观察点，就是一个平移关系，再指定一个向上方向，就是一个旋转关系。

    投影坐标系.jpg
    • F=normalize(target-eye) F是摄像机正向方向，-F对应Z轴方向的单位向量
    • R=normalize(F×up) up是参考上方向，R是X轴的单位向量
    • U=R×F 实际就是up在垂直方向的投影，对应Y轴单位向量（up不一定垂直F）
    • T代表平移矩阵，(Ex,Ey,Ez)是摄像机位置，新坐标为原点
    • R为旋转矩阵，更简单的理解就是求点P在（R，U，-F）坐标系统的投影，就是新坐标系统的值。例如P在R方向的投影 P*R = Px*Rx+Py*Rx+Pz*Rz就是新坐标的x值。R是单位向量。
    image.png

  • 投影矩阵

    投影变换就是划定视野范围，在视野范围外面的就裁剪掉。视野范围称为视景体，视景体以外的色块会被裁掉。由于标准化设备坐标（NDC） 的范围在[-1, 1]，本质上就是把视景体变成边长为2的立方体，正交变换只需要缩放，投影变换需要改变切面大小。

    投影变换.jpg

    • 正交投影 正交投影只需要把中心点移动到原点，在按比例缩放2/原边长，因此有下面计算。

      正交投影.jpg

    • 透视投影 透视投影有远小近大的效果，推算过程也相对复杂一些。考虑最普遍的情况，视景体对称情况。对任意一点P做截面，如图。图中的虚线应该相交于原点（Camera位置），可知

      • P所在截面与近平面和远平面都是相似的，比例与Z坐标有关，近平面宽度/P平面宽度 = near/(-z)，z是负值。
      • 对于P平面的x，如果要变换到[-1, 1]，按照正交类推，变换应该是 2/(right-(-right)) * near/(-z)即 near/(right * (-z))，这里可得到与z相关，也就是近大远小的关键。
      • 矩阵不能包含未知量z，所以这里会扩大（-z）倍，就是就是透视除法的来源。即范围扩大为[z,-z], 矩阵变换后最后的一个分量为-z。[,,,1] => [,,,-z].
      投影变换点位.jpg
      • 于是矩阵做如下调整，最后P的最后一个分量变换后相当于参数（原来是1并没有用），透视除法也就是其他分量除以该值就得到[-1,1]范围：
      透视投影.jpg

      • 矩阵中最后两个值，可以推导出来，当z=-near，结果为z（透视除法后为-1），当z=-far时，结果为-z（透视除法1）：

        投影推理.jpg

      • 投影矩阵为：

      透视方程.jpg
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