一、簡(jiǎn)介

（1）OpenGL

• OpenGL（英語：Open Graphics Library，譯名：開放圖形庫或者開放式圖形庫）是用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序編程接口（API）。這個(gè)接口由近350個(gè)不同的函數(shù)調(diào)用組成，用來從簡(jiǎn)單的圖形比特繪制復(fù)雜的三維景象。而另一種程序接口系統(tǒng)是僅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化程序和電子游戲開發(fā)。

Direct 3D是基于微軟的通用對(duì)象模式COM（Common Object Mode）的3D圖形API。它是微軟公司DirectX SDK集成開發(fā)包中的重要部分，適合多媒體、娛樂、即時(shí)3D動(dòng)畫等廣泛和實(shí)用的3D圖形計(jì)算。
DirectX 是由很多API組成的，DirectX并不不是?一個(gè)單純的圖形API. 最重要的是DirectX 是屬于Windows上?個(gè)多媒體處理API。并不?持Windows以外的平臺(tái),所以不是跨平臺(tái)框架。 按照性質(zhì)分類，可以分為四大部分，顯示部分、聲音部分、輸入部分和?絡(luò)部分。

（2）OpenGL ES

• OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems) 是 OpenGL 三維圖形 API 的子集，針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)。2014年到2018年.蘋果完成了系統(tǒng)內(nèi)部從OpenGL ES過度到Metal。直到WWDC 2018，Apple 宣布 iOS 12 將棄用 OpenGL / CL。

在 WWDC 2014 上，Apple為游戲開發(fā)者推出了新的平臺(tái)技術(shù) Metal，該技術(shù)能夠?yàn)?3D 圖像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戲引擎及公司。
Metal 是一種低層次的渲染應(yīng)用程序編程接口，提供了軟件所需的最低層，保證軟件可以運(yùn)行在不同的圖形芯片上。Metal 提升了 A7 與 A8 處理器效能，讓其性能完全發(fā)揮。

二、OpenGL / OpenGL ES 用來做什么？

• OpenGL常用于CAD、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化程序和電子游戲開發(fā)。簡(jiǎn)單來說就是實(shí)現(xiàn)圖形的底層渲染。
  比如在游戲開發(fā)中,對(duì)于游戲場(chǎng)景/游戲人物的渲染；
  比如在音視頻開發(fā)中,對(duì)于視頻解碼后的數(shù)據(jù)渲染；
  比如在地圖引擎,對(duì)于地圖上的數(shù)據(jù)渲染；
  比如在動(dòng)畫中,實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的繪制；
  比如在視頻處理中,對(duì)于視頻加上濾鏡效果；
  ......

三、專業(yè)名詞解析

初學(xué)OpenGL，初學(xué)者常會(huì)對(duì)各類專業(yè)名詞感到疑惑，不能清晰理解其意義，下面就來講講這寫專業(yè)名詞，如有錯(cuò)誤或者補(bǔ)充的，歡迎在下面留言。

（1）OpenGL上下文（context）

• 在應(yīng)用程序調(diào)用任何OpenGL的指令之前，需要安排首先創(chuàng)建一個(gè)OpenGL的上下文。這個(gè)上下文是一個(gè)非常龐大的狀態(tài)機(jī)，保存了OpenGL中的各種狀態(tài)，這也是OpenGL指令執(zhí)行的基礎(chǔ)
• OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語言中，都是類似C語言一樣的面相過程的函數(shù)，本質(zhì)上都是對(duì)OpenGL上下文這個(gè)龐大的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對(duì)象進(jìn)行操作，當(dāng)然你的首先把這個(gè)對(duì)象設(shè)置為當(dāng)前對(duì)象。因此，通過對(duì)OpenGL指令的封裝，是可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)用封裝稱謂一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形API
• 由于OpenGL上下文是一個(gè)巨大的狀態(tài)機(jī)、切換上下文往往會(huì)產(chǎn)生較大的開銷，但是不同的繪制模塊，可能需要使用完全獨(dú)立的狀態(tài)管理。因此，可以在應(yīng)用程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下文，在不同線程中使用不同的上下文，上下文之間共享紋理、緩沖區(qū)等資源。這樣的方案會(huì)比仿佛切換上下文，或者大量修改渲染狀態(tài)，更加合理高效的。

（2）OpenGL狀態(tài)機(jī)

• 狀態(tài)機(jī)是理論上的一種機(jī)器，換而言之，狀態(tài)機(jī)描述了一個(gè)對(duì)象在其生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的各種狀態(tài)，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，發(fā)生轉(zhuǎn)變的動(dòng)因，條件及轉(zhuǎn)變中所執(zhí)行的活動(dòng)?；蛘哒f，狀態(tài)機(jī)是一種行為，說明對(duì)象在其生命周期中相應(yīng)時(shí)間鎖經(jīng)歷的狀態(tài)序列以及對(duì)那些狀態(tài)時(shí)間的相應(yīng)。因此具有以下特點(diǎn)：
  1. 有記憶功能，能記住其當(dāng)前的狀態(tài)
  2. 可以接收輸入，根據(jù)輸入的內(nèi)容和自己的原先狀態(tài)，修改自己當(dāng)前狀態(tài)，并且可以有對(duì)應(yīng)輸出
  3. 當(dāng)進(jìn)入特殊狀態(tài)的時(shí)候，變不再接受輸入，停止工作；

（3）渲染（Rendering）

• 將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D空間圖像到屏幕上的過程叫做渲染。

（4）頂點(diǎn)

• 頂點(diǎn)指的是我們?cè)诶L制?個(gè)圖形時(shí)，它的頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)。?這個(gè)數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)在數(shù)組中或者將其緩存到GPU內(nèi)存中。

（5）頂點(diǎn)數(shù)組（VertexArray）和頂點(diǎn)緩沖區(qū)（VertexBuffer）

• OpenGL的圖像都是由圖元組成。在OpenGLES中，有3種類型的圖元：點(diǎn)、線、三角形。通常，我們?cè)谡{(diào)用繪制?法的時(shí)候，有兩種方法：一種是，直接由內(nèi)存?zhèn)魅腠旤c(diǎn)數(shù)據(jù)，也就是說這部分?jǐn)?shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中的，被稱為頂點(diǎn)數(shù)組。另一種則是性能更加?效的，做法是，提前分配一塊顯存，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳入到顯存當(dāng)中。這部分的顯存，就被稱為頂點(diǎn)緩沖區(qū)。

（6）管線

• 在OpenGL下渲染圖形，就會(huì)有經(jīng)歷一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)。而這樣的操作可以理解為管線。大家可以想象成流水線。每個(gè)任務(wù)類似流水線般執(zhí)行。任務(wù)之間有先后順序。管線是一個(gè)抽象的概念，之所以稱之為管線是因?yàn)轱@卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候是按照 一個(gè)固定的順序來的，?且嚴(yán)格按照這個(gè)順序。就像水從一根管?子的一端流到另一端，這個(gè)順序是不能打破的。

（7）固定管線/存儲(chǔ)著色器

• 固定管線：在早期的OpenGL版本，它封裝了很多種著色器程序塊內(nèi)置的一段包含了光照，坐標(biāo)變換，裁剪等諸多功能的固定shader程序來完成，來幫助開發(fā)者完成圖形的渲染，而開發(fā)這只需要傳入相應(yīng)的參數(shù)，就能快速完成圖形的渲染。類似于iOS開發(fā)會(huì)封裝很多API，而我們只需要調(diào)用，就可以實(shí)現(xiàn)功能，不需要關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)原理。
• 可編程管線：由于OpenGL的使用場(chǎng)景非常豐富，固定管線或存儲(chǔ)著色器無法完成每一個(gè)業(yè)務(wù)，這時(shí)，將相關(guān)部分開放成可編程，則稱之為可編程管線。

（8）著色器程序Shader

• 將固定渲染管線架構(gòu)變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€。因此，在OpenGL實(shí)際調(diào)用繪制函數(shù)之前，還需要指定一個(gè)由shader編譯成的著色器程序。常見的著色器主要有頂點(diǎn)著色器，片元著色器（片段著色器/像素著色器），幾何著色器，細(xì)分著色器。在OpenGL3.0中，依然只支持頂點(diǎn)著色器和片段著色器這兩個(gè)最基礎(chǔ)的著色器。

• OpenGL在處理shader時(shí)，和其它編譯器一樣，通過編譯，鏈接等步驟，生成了著色器程序，著色器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著色器和片段著色器的運(yùn)算邏輯。
  在OpenGL進(jìn)行繪制的時(shí)候，首先由頂點(diǎn)著色器對(duì)傳入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。再通過圖元裝配，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元。然后進(jìn)行光柵化，將圖元這種矢量圖形，轉(zhuǎn)換為柵格化數(shù)據(jù)。最后將柵格化數(shù)據(jù)傳入片段著色器中進(jìn)行運(yùn)算。片段著色器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中而每一個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)算，并決定像素的顏色。

  
  
  1.1OpenGL繪制過程.png

（9）頂點(diǎn)著色器VertexShader

• 一般用來處理圖形每個(gè)頂點(diǎn)變換（旋轉(zhuǎn)/平移/投影）；
• 頂點(diǎn)著色器是OpenGL中用于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序。頂點(diǎn)著色器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序，也就是說每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)執(zhí)行一次頂點(diǎn)著色器，當(dāng)然這是并行的，并且頂點(diǎn)著色器運(yùn)算過程中無法訪問其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)；
• 一般來說，典型的需要計(jì)算的頂點(diǎn)屬性主要包括頂點(diǎn)坐標(biāo)變換、逐頂點(diǎn)光照運(yùn)算等。頂點(diǎn)坐標(biāo)由吱自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到歸一化坐標(biāo)系的運(yùn)算，就是在這里發(fā)生的。

（10）片元著色器FragmentShader

• 一般用來處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏色計(jì)算和填充；
• 片段著色器是OpenGL中用于計(jì)算片段（像素）顏色的程序。片段著色器是逐像素運(yùn)算的程序，也就是說，每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)行一次片段著色器，當(dāng)然也是并行的。

（11）GLSL（OpenGL Shading Language）

• 是用來OpenGL中著色編程的語言，也即開發(fā)人員寫的短小的自定義程序，他們是圖形卡的GPU上執(zhí)行的，代替了固定的渲染管線的一部分，是渲染管線中的不同層次具有可編程行。比如：視圖轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等。GLSL的著色器代碼分成2個(gè)部分：VertexShader(頂點(diǎn)著色器)和Fragment(片元著色器)。

（12）光柵化Rasterization

• 是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過程，具有將圖轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)柵格化組成的圖像的作用，特點(diǎn)是每個(gè)元素對(duì)應(yīng)幀緩沖區(qū)中的一像素。
• 光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過程。片元中每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于幀緩沖區(qū)中的一個(gè)像素。
• 光柵化其實(shí)是一種將幾何圖元變?yōu)槎S圖像的過程。第一個(gè)，決定哪些地方要被填充； 第二個(gè)，決定每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值和深度值。
• 把物體的數(shù)學(xué)描述以及與物體相關(guān)的顏色信息轉(zhuǎn)換為屏幕上用于對(duì)應(yīng)位置的像素及用于填充像素的顏色，這個(gè)過程稱為光柵化，這是一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過程。

（13）紋理

• 紋理可以理解為圖片。大家再渲染圖形時(shí)需要在其編碼填充圖片，為了使得場(chǎng)景更加逼真，而這里使用的圖片，就是常說的紋理。但是在OpenGL，我們更加習(xí)慣叫紋理，而不是圖片。

（14）混合(Blending）

• 在測(cè)試階段之后，如果像素依然沒有被剔除，那么像素的顏色將會(huì)和幀緩沖區(qū)中的顏色附著上的顏色進(jìn)行混合，混合的算法可以通過OpenGL的函數(shù)進(jìn)行指定。但是，OpenGL提供的混合算法是優(yōu)先的，如果需要更加復(fù)雜的混合算法，一般可以通過像素著色器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)比原生的混合算法差些。

（15）變換矩陣（Transfrormation）

• 圖形想發(fā)生平移，縮放，旋轉(zhuǎn)變換，就需要使用變換矩陣。

（16）投影矩陣（Projection）

• 用于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維屏幕坐標(biāo)，實(shí)際線條也將在二維坐標(biāo)系啊進(jìn)行繪制。

（17）渲染

• 渲染緩沖區(qū)?般映射的是系統(tǒng)的資源，?如窗口。如果將圖像直接渲染到窗口對(duì)應(yīng)的渲染緩沖區(qū)，則可以將圖像顯示到屏幕上。
• 但是，值得注意的是，如果每個(gè)窗口只有一個(gè)緩沖區(qū)，那么在繪制過程中屏幕進(jìn)行了刷新，窗口可能顯示出不完整的圖像

• 為了解決這個(gè)問題，常規(guī)的OpenGL程序至少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)。顯示在屏幕上的稱為屏幕緩沖區(qū)，沒有顯示的稱為離屏緩沖區(qū)。在一個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后，通過將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上的顯示。

  
  
  1.2屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換.png

• 由于顯示器的刷新一般是逐行進(jìn)行的，因此為了防?交換緩沖區(qū)的時(shí)候屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個(gè)不同的幀，因此交換一般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)，在顯示器兩次刷新的間隔中進(jìn)行交換，這個(gè)信號(hào)就被稱為垂直同步信號(hào)，這個(gè)技術(shù)被稱為垂直同步。
• 使用了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術(shù)之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進(jìn)行下一幀的渲染，使得幀率無法完全達(dá)到硬件允許的最高水平。為了解決這個(gè)問題，引?了三緩沖區(qū)技術(shù)，在等待垂直同步時(shí)，來 回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，而垂直同步發(fā)?時(shí)，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)充分利用硬件性能的目的。

四、結(jié)尾

• 以上是OpenGL初學(xué)者常遇到的專業(yè)名詞解釋，希望能幫助到大家！