OpenGL 学习总结
目录
基础概念
什么是 OpenGL？
OpenGL（Open Graphics Library）是一个跨语言、跨平台的图形渲染 API，用于渲染 2D 和 3D 图形。它提供了一套硬件无关的接口，让开发者能够利用 GPU 进行高效的图形渲染。
核心特点
-
硬件抽象层：屏蔽不同 GPU 的差异
-
状态机：通过设置状态来控制渲染行为
-
立即模式 vs 保留模式：现代 OpenGL 使用保留模式
-
可编程管线：通过着色器程序控制渲染过程
坐标系系统
// OpenGL 使用右手坐标系
// X轴：向右为正
// Y轴：向上为正
// Z轴：向外为正（屏幕外）
// 顶点坐标通常在 [-1, 1] 范围内
let vertices: [Float] = [
-1.0, -1.0, 0.0, // 左下
1.0, -1.0, 0.0, // 右下
0.0, 1.0, 0.0 // 顶部
]
渲染管线
1. 顶点着色器阶段
// 顶点着色器
attribute vec4 position;
attribute vec2 texCoord;
varying vec2 vTexCoord;
void main() {
gl_Position = position;
vTexCoord = texCoord;
}
2. 图元装配
-
将顶点连接成图元（点、线、三角形）
-
进行视锥体裁剪
-
背面剔除
3. 光栅化
-
将图元转换为像素
-
插值计算片段的属性
4. 片段着色器阶段
// 片段着色器
precision mediump float;
varying vec2 vTexCoord;
uniform sampler2D uTexture;
void main() {
vec4 color = texture2D(uTexture, vTexCoord);
gl_FragColor = color;
}
5. 逐片段操作
-
深度测试
-
模板测试
-
混合
着色器编程
顶点着色器
// 基础顶点着色器
attribute vec4 aPosition;
attribute vec2 aTexCoord;
uniform mat4 uModelViewProjectionMatrix;
varying vec2 vTexCoord;
void main() {
gl_Position = uModelViewProjectionMatrix * aPosition;
vTexCoord = aTexCoord;
}
片段着色器
// 基础片段着色器
precision mediump float;
varying vec2 vTexCoord;
uniform sampler2D uTexture;
uniform float uAlpha;
void main() {
vec4 color = texture2D(uTexture, vTexCoord);
gl_FragColor = vec4(color.rgb, color.a * uAlpha);
}
常用内置变量
-
gl_Position：顶点位置（顶点着色器输出） -
gl_FragColor：片段颜色（片段着色器输出） -
gl_PointSize：点大小 -
gl_FragCoord：片段坐标
数据类型
// 标量类型
float, int, bool
// 向量类型
vec2, vec3, vec4
ivec2, ivec3, ivec4
bvec2, bvec3, bvec4
// 矩阵类型
mat2, mat3, mat4
// 采样器类型
sampler2D, samplerCube
纹理与采样
纹理创建
func createTexture(from image: UIImage) -> GLuint {
guard let cgImage = image.cgImage else { return 0 }
var textureName: GLuint = 0
glGenTextures(1, &textureName)
glBindTexture(GLenum(GL_TEXTURE_2D), textureName)
// 设置纹理参数
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MIN_FILTER), GL_LINEAR)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MAG_FILTER), GL_LINEAR)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_WRAP_S), GL_CLAMP_TO_EDGE)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_WRAP_T), GL_CLAMP_TO_EDGE)
// 上传纹理数据
let width = cgImage.width
let height = cgImage.height
let colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB()
let bitmapInfo = CGBitmapInfo(rawValue: CGImageAlphaInfo.premultipliedLast.rawValue)
let context = CGContext(data: nil,
width: width,
height: height,
bitsPerComponent: 8,
bytesPerRow: width * 4,
space: colorSpace,
bitmapInfo: bitmapInfo.rawValue)!
context.draw(cgImage, in: CGRect(x: 0, y: 0, width: width, height: height))
let data = context.data!
glTexImage2D(GLenum(GL_TEXTURE_2D), 0, GL_RGBA, GLsizei(width), GLsizei(height), 0, GLenum(GL_RGBA), GLenum(GL_UNSIGNED_BYTE), data)
return textureName
}
纹理坐标
// 纹理坐标 (0,0) 在左下角，(1,1) 在右上角
let texCoords: [Float] = [
0.0, 0.0, // 左下
1.0, 0.0, // 右下
0.0, 1.0, // 左上
1.0, 1.0 // 右上
]
纹理过滤
// 最近邻过滤
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MIN_FILTER), GL_NEAREST)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MAG_FILTER), GL_NEAREST)
// 线性过滤
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MIN_FILTER), GL_LINEAR)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MAG_FILTER), GL_LINEAR)
// 多级纹理过滤
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MIN_FILTER), GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR)
glGenerateMipmap(GLenum(GL_TEXTURE_2D))
iOS OpenGL ES
初始化
import GLKit
class OpenGLView: GLKView {
private var context: EAGLContext!
private var program: GLuint = 0
override init(frame: CGRect) {
// 创建 OpenGL ES 2.0 上下文
context = EAGLContext(api: .openGLES2)!
super.init(frame: frame, context: context)
// 设置代理
self.delegate = self
// 设置像素格式
self.drawableColorFormat = .RGBA8888
self.drawableDepthFormat = .format24
// 设置内容缩放因子
self.contentScaleFactor = UIScreen.main.scale
// 设置当前上下文
EAGLContext.setCurrent(context)
// 初始化 OpenGL 状态
setupOpenGL()
}
private func setupOpenGL() {
// 启用深度测试
glEnable(GLenum(GL_DEPTH_TEST))
// 设置清除颜色
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
// 创建着色器程序
program = createShaderProgram()
}
}
渲染循环
extension OpenGLView: GLKViewDelegate {
func glkView(_ view: GLKView, drawIn rect: CGRect) {
// 清除缓冲区
glClear(GLbitfield(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT))
// 使用着色器程序
glUseProgram(program)
// 设置顶点数据
setupVertexData()
// 设置纹理
setupTexture()
// 绘制
glDrawArrays(GLenum(GL_TRIANGLES), 0, 6)
}
}
着色器编译
func createShaderProgram() -> GLuint {
let vertexShaderSource = """
attribute vec4 position;
attribute vec2 texCoord;
varying vec2 vTexCoord;
void main() {
gl_Position = position;
vTexCoord = texCoord;
}
"""
let fragmentShaderSource = """
precision mediump float;
varying vec2 vTexCoord;
uniform sampler2D uTexture;
void main() {
gl_FragColor = texture2D(uTexture, vTexCoord);
}
"""
// 编译顶点着色器
let vertexShader = compileShader(type: GLenum(GL_VERTEX_SHADER), source: vertexShaderSource)
// 编译片段着色器
let fragmentShader = compileShader(type: GLenum(GL_FRAGMENT_SHADER), source: fragmentShaderSource)
// 创建程序
let program = glCreateProgram()
glAttachShader(program, vertexShader)
glAttachShader(program, fragmentShader)
glLinkProgram(program)
// 检查链接状态
var linkStatus: GLint = 0
glGetProgramiv(program, GLenum(GL_LINK_STATUS), &linkStatus)
if linkStatus == GL_FALSE {
print("Program link failed")
glDeleteProgram(program)
return 0
}
// 清理着色器
glDeleteShader(vertexShader)
glDeleteShader(fragmentShader)
return program
}
func compileShader(type: GLenum, source: String) -> GLuint {
let shader = glCreateShader(type)
var cSource = (source as NSString).utf8String
var length = GLint(source.utf8.count)
glShaderSource(shader, 1, &cSource, &length)
glCompileShader(shader)
// 检查编译状态
var compileStatus: GLint = 0
glGetShaderiv(shader, GLenum(GL_COMPILE_STATUS), &compileStatus)
if compileStatus == GL_FALSE {
var infoLength: GLint = 0
glGetShaderiv(shader, GLenum(GL_INFO_LOG_LENGTH), &infoLength)
var infoLog = [GLchar](repeating: 0, count: Int(infoLength))
glGetShaderInfoLog(shader, infoLength, nil, &infoLog)
print("Shader compilation failed: \(String(cString: infoLog))")
glDeleteShader(shader)
return 0
}
return shader
}
实际应用
图片渲染
class ImageRenderer {
private var program: GLuint = 0
private var vertexBuffer: GLuint = 0
private var texture: GLuint = 0
func setup() {
// 创建顶点缓冲区
let vertices: [Float] = [
// 位置 // 纹理坐标
-1.0, -1.0, 0.0, 0.0, 0.0,
1.0, -1.0, 0.0, 1.0, 0.0,
-1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,
1.0, -1.0, 0.0, 1.0, 0.0,
1.0, 1.0, 0.0, 1.0, 1.0,
-1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0
]
glGenBuffers(1, &vertexBuffer)
glBindBuffer(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), vertexBuffer)
glBufferData(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), MemoryLayout<Float>.size * vertices.count, vertices, GLenum(GL_STATIC_DRAW))
}
func render() {
glUseProgram(program)
// 设置顶点属性
glBindBuffer(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), vertexBuffer)
let positionLocation = glGetAttribLocation(program, "position")
let texCoordLocation = glGetAttribLocation(program, "texCoord")
glEnableVertexAttribArray(GLuint(positionLocation))
glEnableVertexAttribArray(GLuint(texCoordLocation))
let stride = GLsizei(MemoryLayout<Float>.size * 5)
glVertexAttribPointer(GLuint(positionLocation), 3, GLenum(GL_FLOAT), GLboolean(GL_FALSE), stride, nil)
glVertexAttribPointer(GLuint(texCoordLocation), 2, GLenum(GL_FLOAT), GLboolean(GL_FALSE), stride, UnsafeRawPointer(bitPattern: 3 * MemoryLayout<Float>.size))
// 设置纹理
glActiveTexture(GLenum(GL_TEXTURE0))
glBindTexture(GLenum(GL_TEXTURE_2D), texture)
glUniform1i(glGetUniformLocation(program, "uTexture"), 0)
// 绘制
glDrawArrays(GLenum(GL_TRIANGLES), 0, 6)
glDisableVertexAttribArray(GLuint(positionLocation))
glDisableVertexAttribArray(GLuint(texCoordLocation))
}
}
滤镜效果
// 灰度滤镜
void main() {
vec4 color = texture2D(uTexture, vTexCoord);
float gray = dot(color.rgb, vec3(0.299, 0.587, 0.114));
gl_FragColor = vec4(vec3(gray), color.a);
}
// 反色滤镜
void main() {
vec4 color = texture2D(uTexture, vTexCoord);
gl_FragColor = vec4(1.0 - color.rgb, color.a);
}
// 模糊滤镜
void main() {
vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(uTexture, 0);
vec4 sum = vec4(0.0);
for(int i = -2; i <= 2; i++) {
for(int j = -2; j <= 2; j++) {
vec2 offset = vec2(float(i), float(j)) * texelSize;
sum += texture2D(uTexture, vTexCoord + offset);
}
}
gl_FragColor = sum / 25.0;
}
性能优化
1. 批处理
// 合并多个绘制调用
func batchRender(objects: [GameObject]) {
// 按材质分组
let groupedObjects = Dictionary(grouping: objects) { $0.material }
for (material, objects) in groupedObjects {
// 绑定材质
bindMaterial(material)
// 批量绘制
for object in objects {
updateTransform(object.transform)
drawObject(object)
}
}
}
2. 顶点缓冲区优化
// 使用 VBO 存储顶点数据
func createVertexBuffer() {
let vertices: [Float] = [/* 顶点数据 */]
glGenBuffers(1, &vertexBuffer)
glBindBuffer(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), vertexBuffer)
glBufferData(GLenum(GL_ARRAY_BUFFER), MemoryLayout<Float>.size * vertices.count, vertices, GLenum(GL_STATIC_DRAW))
}
3. 纹理优化
// 使用纹理图集
func createTextureAtlas() {
// 将多个小纹理合并到一个大纹理中
// 减少纹理切换次数
}
// 使用压缩纹理
func loadCompressedTexture() {
// 使用 PVRTC 或 ASTC 格式
// 减少内存占用和带宽
}
4. 着色器优化
// 避免分支语句
// 不好的做法
if (condition) {
color = texture2D(tex1, coord);
} else {
color = texture2D(tex2, coord);
}
// 好的做法
color = mix(texture2D(tex1, coord), texture2D(tex2, coord), condition ? 1.0 : 0.0);
// 使用内置函数
// 不好的做法
float length = sqrt(x * x + y * y);
// 好的做法
float length = length(vec2(x, y));
常见问题
1. 纹理显示问题
问题：纹理显示为黑色或白色
原因：
-
纹理数据格式不匹配
-
纹理坐标错误
-
采样器设置问题
解决：
// 检查纹理格式
glTexImage2D(GLenum(GL_TEXTURE_2D), 0, GL_RGBA, width, height, 0, GLenum(GL_RGBA), GLenum(GL_UNSIGNED_BYTE), data)
// 检查纹理坐标
let texCoords: [Float] = [0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 1.0, 1.0]
// 设置正确的采样器
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MIN_FILTER), GL_LINEAR)
glTexParameteri(GLenum(GL_TEXTURE_2D), GLenum(GL_TEXTURE_MAG_FILTER), GL_LINEAR)
2. 深度测试问题
问题：物体渲染顺序错误
解决：
// 启用深度测试
glEnable(GLenum(GL_DEPTH_TEST))
glDepthFunc(GLenum(GL_LESS))
// 清除深度缓冲区
glClear(GLbitfield(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT))
3. 内存泄漏
问题：OpenGL 资源未正确释放
解决：
deinit {
// 释放纹理
if texture != 0 {
glDeleteTextures(1, &texture)
}
// 释放缓冲区
if vertexBuffer != 0 {
glDeleteBuffers(1, &vertexBuffer)
}
// 释放着色器程序
if program != 0 {
glDeleteProgram(program)
}
}
4. 性能问题
问题：渲染性能低下
解决：
-
减少绘制调用次数
-
使用批处理
-
优化着色器
-
使用 LOD（细节层次）
-
启用背面剔除
调试技巧
1. 着色器调试
// 在片段着色器中输出调试信息
void main() {
vec4 color = texture2D(uTexture, vTexCoord);
// 输出红色通道作为调试
gl_FragColor = vec4(color.r, 0.0, 0.0, 1.0);
}
2. 状态检查
func checkOpenGLState() {
// 检查帧缓冲区状态
let status = glCheckFramebufferStatus(GLenum(GL_FRAMEBUFFER))
if status != GLenum(GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) {
print("Framebuffer not complete: \(status)")
}
// 检查着色器编译状态
var compileStatus: GLint = 0
glGetShaderiv(shader, GLenum(GL_COMPILE_STATUS), &compileStatus)
if compileStatus == GL_FALSE {
// 获取错误信息
var infoLength: GLint = 0
glGetShaderiv(shader, GLenum(GL_INFO_LOG_LENGTH), &infoLength)
var infoLog = [GLchar](repeating: 0, count: Int(infoLength))
glGetShaderInfoLog(shader, infoLength, nil, &infoLog)
print("Shader compilation failed: \(String(cString: infoLog))")
}
}
3. 性能分析
// 使用 Instruments 进行性能分析
// 关注以下指标：
// - GPU 使用率
// - 绘制调用次数
// - 纹理内存使用
// - 顶点处理数量
总结
OpenGL 是一个强大的图形渲染 API，掌握它需要：
-
理解渲染管线：从顶点到像素的完整流程
-
掌握着色器编程：GLSL 语言和 GPU 编程
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熟悉纹理系统：纹理创建、采样和过滤
-
学会性能优化：批处理、内存管理、算法优化
-
掌握调试技巧：状态检查、错误处理、性能分析
通过持续学习和实践，OpenGL 将成为你图形编程的强大工具。记住：
-
从简单开始，逐步增加复杂度
-
重视性能优化
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养成良好的调试习惯
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关注最新的 OpenGL 特性和最佳实践
