OpenGL-概念

图形API简介

OpenGL /OpenGL ES/ Metal 在任何项⽬中解决问题的本质就是利⽤GPU芯⽚来⾼效渲染图形图像。图形API 是iOS开发者唯⼀接近GPU的⽅式。

OpenGL（Open Graphics Library）

是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。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 *** 作抽象为⼀个个的OpenGL指令。

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。

DirectX

是由微软公司创建的多媒体编程接口，由很多API组成，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。

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。

OpenGL 专业名词解析 OpenGL 上下⽂（context）

在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，需要⾸先创建⼀个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 *** 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。

OpenGL 状态机 状态机是理论上的⼀种机器.这个⾮常难以理解。所以我们把这个状态机这么理解。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。因此具有以下特点： 有记忆功能，能记住其当前的状态。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，就不再接收输⼊，停⽌⼯作。 类推到OpenGL 中来,可以这么理解： OpenGL可以记录⾃⼰的状态（如当前所使⽤的颜⾊、是否开启了混合功能等）。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空间图像的 *** 作叫做渲染（Rendering）。

顶点数组（VertexArray）、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。

顶点指的是我们在绘制⼀个图形时,它的顶点位置数据。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。

管线

在OpenGL下渲染图形，就会经历⼀个⼀个节点，⽽这样的 *** 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。

固定管线

在早期的OpenGL 版本，它封装了很多种着⾊器程序块，内置了⼀段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定着色器程序来帮助开发者完成图形的渲染。 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。

可编程管线

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。

着色器程序（Shader） 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（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。 固定着色器

OpenGL封装好的着色器，只能调用不能编辑。

自定义着色器

进行自定义（GLSL语法）编写的代码段。在OpenGL中，只有顶点着色器和片元着色器可以用GLSL语言自定义，其他着色器都由系统封装好了，属于固定着色器，无法修改。

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。 ⽚元着⾊器/像素着色器（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。 位图

我们平时用到的jpg、png图片都属于压缩图片，由于计算机显示图像是通过一个个像素点组合成的，所以在加载图片时，实际上是先解压成位图，再去显示的，位图就存储了每个像素点的对应信息。例如，一个120 * 120的图片，需要120 * 120个像素来显示，即需要存储120 * 120个像素点信息。每个像素点信息中又需要存储红、绿、蓝、透明度（RGBA）四个信息，每个信息需要1个字节来存储，所以整个位图大大小其实就是120 * 120 * 4个字节。

纹理（Texture）

纹理可以理解为图⽚，不同于常见的jpg和png图片，纹理文件的后缀名为.tga。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。

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）。

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。 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。

变换矩阵（Transformation）

图形想发⽣平移、缩放、旋转变换，就需要使⽤变换矩阵，用来记录发生变化的数据。

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。屏幕实际上是一个二维平面，要显示具体的三维图像，就需要用到投影矩阵来进行计算转换。

渲染上屏/交换缓冲区（SwapBuffer）

渲染缓冲区⼀般映射的是系统的资源，⽐如窗⼝。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，窗⼝可能显示出不完整的图像。

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间隔中进⾏交换，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，使得帧率⽆法完全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。

坐标系 2D笛卡尔坐标系

基于两条相互垂直的坐标轴：X轴和Y轴的坐标系。X轴为水平方向，Y轴为垂直方向。默认以向右和向上为正方向，但是可以根据实际需求自己定义。

3D笛卡尔坐标系

基于三条相互垂直的坐标轴：X轴、Y轴和Z轴的坐标系。X轴为水平方向，Y轴为垂直方向，Z轴为垂直于屏幕的方向。默认以向右、向上和垂直屏幕向外为正方向，但是可以根据实际需求自己定义。

世界坐标系

世界坐标系是系统的绝对坐标系，在没有建立用户坐标系之前画面上所有的点的坐标都可以在该坐标系的原点来确定各自的位置。世界坐标系始终是固定不变的。

物体坐标系

每个物体都有他们独立的坐标系。当物体移动或者改变方向时。该物体相关联的坐标系将随之移动或改变方向。

惯性坐标系

惯性坐标系是为了简化世界坐标系到惯性坐标系的转化而产生的。惯性坐标系的原点与物体坐标系的原点重合，惯性坐标系的轴平行于世界坐标系的轴。引入了惯性坐标系之后，物体坐标系转换到惯性坐标系只需旋转，从惯性坐标系转换到世界坐标系只需平移。

摄像机坐标系

在坐标系的范畴里，摄像机坐标系和照相机坐标系都是一样的意义。照相机坐标系是和观察者密切相关的坐标系。照相机坐标系和屏幕坐标系相似，差别在于照相机坐标系处于3D空间中，而屏幕坐标系在2D平面里。

窗口

屏幕中的某一个窗口，可放大、缩小、移动、关闭。

视口

就是窗口中用来显示图形的一块矩形区域，它可以和窗口等大，也可以比窗口大或者小。只有绘制在视口区域中的图形才能被显示，如果图形有一部分超出了视口区域，那么那一部分是看不到的。通过glViewport()函数设置。

剪裁区域

在窗口中能够见到或能够用来绘图的部分。通常设置视口等于窗口。

视点（camera）

也称视图，是指所处的观察点。比如我们玩手机时，眼睛所处的位置就是观察点。

投影

不管我们觉得自己的眼睛看到的三维立体图像多么真实，屏幕上像素实际上只有二维的。我们的手机屏幕本身就是二维的，我们是无法真实去呈现立体图形。

那么OpenGL 是如何将笛卡尔坐标系映射成可以在屏幕上显示的二维坐标的？在这里需要用到投影，我们需要指定投影空间，指定在窗口显示的视景体(Viewing Volume)，并指定如何对它进行变换。

投影变换是一种很关键的图形变换，OpenGL中只提供了两种投影方式，一种是正射投影，另一种是透视投影。事实上，投影变换的目的就是定义一个视景体，使得视景体外多余的部分裁剪掉，最终图像只是视景体内的有关部分。

正投影

正射投影，又叫平行投影。这种投影的视景体是一个矩形的平行管道，也就是一个长方体。正射投影的最大一个特点是无论物体距离相机多远，投影后的物体大小尺寸不变。这种投影通常用在建筑蓝图绘制和计算机辅助设计等方面，这些行业要求投影后的物体尺寸及相互间的角度不变，以便施工或制造时物体比例大小正确。

透视投影

透视投影符合人们心理习惯，即离视点近的物体大，离视点远的物体小，远到极点即为消失，成为灭点。它的视景体类似于一个顶部和底部都被切除掉的棱椎，也就是棱台。这个投影通常用于动画、视觉仿真以及其它许多具有真实性反映的方面。