OpenGL
在開始 OpenGL ES 的學(xué)習(xí)之前，我們先來簡(jiǎn)單了解下它的由來。
計(jì)算機(jī)由 CPU、GPU、內(nèi)存、總線等構(gòu)成，全球有很多計(jì)算機(jī)制造商，導(dǎo)致市面上的計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)各種各樣，當(dāng)然他們都有各自的優(yōu)勢(shì)，存在即合理。這些硬件會(huì)通過驅(qū)動(dòng)運(yùn)行并協(xié)作，使用驅(qū)動(dòng)的人則是軟件工程師，但總不能為不同硬件設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)吧，所以為了統(tǒng)一，驅(qū)動(dòng)都設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)接口，OpenGL 就是 GPU 驅(qū)動(dòng) 的一套標(biāo)準(zhǔn)接口，OpenGL ES 為嵌入式設(shè)備 GPU 驅(qū)動(dòng)（如手機(jī)）的標(biāo)準(zhǔn)接口，OpenGL ES 全稱：OpenGL for Embedded Systems。
OpenGL API 規(guī)模龐大且復(fù)雜，OpenGL ES 的目標(biāo)是創(chuàng)建適合于受限設(shè)備的 API，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工作組從 OpenGL API 中刪除了冗余，比如一個(gè)操作實(shí)現(xiàn)可以用多種方法，那么就留下最實(shí)用的方法，刪除其他操作。
OpenGL 是可跨平臺(tái)使用的 API，移動(dòng)端使用 OpenGL ES 作為圖形 API，蘋果在 2014 年推出了 Metal 作為圖形 API，但它們的一些專業(yè)名詞、渲染過程等都是一樣的。
圖形API用處
可以簡(jiǎn)單的理解為實(shí)現(xiàn)了圖形的底層渲染，比如
- 1、游戲開發(fā)：游戲的場(chǎng)景、人物的渲染，這些都是由引擎去做的。
- 2、音視頻開發(fā)：視頻解碼后變成了二進(jìn)制數(shù)據(jù)，利用OpenGL將這些數(shù)據(jù)渲染到屏幕。
- 3、地圖開發(fā)：地圖引擎對(duì)地圖數(shù)據(jù)的渲染
- 4、動(dòng)畫開發(fā)：實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的繪制
- 5、視頻處理：視頻濾鏡開發(fā)
其實(shí)OpenGL、OpenGL ES、Metal的本質(zhì)都是利用GPU芯片來實(shí)現(xiàn)高效的渲染圖像，我們可以利用這些API操控GPU去完成我們想做的事。
OpenGL 專業(yè)名詞解析
1、OpenGL上下文（context）
- 在OpenGL每次執(zhí)行指令前都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)上下文context，這個(gè)context是一個(gè)龐大的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)保存了OpenGL中的各種狀態(tài)，OpenGL執(zhí)行指令的基礎(chǔ)。
- OpenGL的函數(shù)本質(zhì)上是操作狀態(tài)機(jī)的某個(gè)狀態(tài)或?qū)ο?/strong>，它是面向過程的，我們通過對(duì)OpenGL的指令進(jìn)行封裝來達(dá)到面向?qū)ο蟮男Ч?/li>
- OpenGL切換上下文需要很大的開銷，有時(shí)不同的繪制模塊需要完全獨(dú)立的狀態(tài)管理，所以一般會(huì)創(chuàng)建不同的上下文，在不同的線程上使用不同的上下文。上下文之間共享紋理、緩沖區(qū)等資源。
2、狀態(tài)機(jī)
- OpenGL是基于狀態(tài)機(jī)模式的，可以理解為一種理論上的機(jī)器，它有以下特點(diǎn)
1、記憶功能：例如當(dāng)前顏色是一個(gè)狀態(tài)變量，若把當(dāng)前顏色設(shè)置成白色或紅色，之后繪制的物體將一直使用白色或紅色，直到把當(dāng)前顏色設(shè)置成別的顏色。
2、接收輸入：根據(jù)接收的內(nèi)容和自己的狀態(tài)，修改自己的狀態(tài)，例如將當(dāng)前顏色修改成黃色。
3、當(dāng)它進(jìn)入某個(gè)特殊的狀態(tài)時(shí)（如停機(jī)狀態(tài)），它不再接收輸入，停止工作，在程序退出前，OpenGL總會(huì)先停止工作。
3、渲染
將圖形或圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D空間圖像的操作叫做渲染。
4、頂點(diǎn)數(shù)組和頂點(diǎn)緩沖區(qū)
1、頂點(diǎn)數(shù)組：把一些頂點(diǎn)數(shù)據(jù)放在頂點(diǎn)數(shù)組中。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)即圖元，OpenGL中的圖像都是由圖元組成，有三種圖元（點(diǎn)、線、三角形），每次繪制時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的繪制函數(shù)，從內(nèi)存中取出頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳入函數(shù)。
2、頂點(diǎn)緩沖區(qū)：為了性能，我們通常會(huì)先分配一塊顯存，把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)存儲(chǔ)到顯存中，這樣GPU在渲染時(shí)直接從顯存讀取，速度要快很多。
5、管線
在OpenGL下渲染圖形是按步驟執(zhí)行的，這些步驟的順序不能改變，我們把這個(gè)順序稱為渲染流程，流程稱為管線。
6、固定管線/存儲(chǔ)著色器
早期OpenGL封裝了很多著色器程序塊，這些程序塊內(nèi)部包含了光照、坐標(biāo)變換、裁剪等功能，這些功能是由shader程序完成的，使得開發(fā)變得簡(jiǎn)單很多，但后期OpenGL使用的場(chǎng)景變多，固定管線或存儲(chǔ)著色器無法滿足復(fù)雜需求了，OpenGL便開放了兩個(gè)模塊可編程（這兩個(gè)模塊是渲染順序中的其他兩個(gè)步驟）。
7、著色器程序Shader
著色器是渲染3D圖形的利器，由于固定管線自身提供的3D渲染功能有限，我們需要使用shader著色器來實(shí)現(xiàn)那些豐富且復(fù)雜的3D圖形效果。
常見的著色器主要有
- 頂點(diǎn)著色器（VertexShader）
- 片元著色器（FragmentShader）/片段著色器/像素著色器（PixelShader）
- 幾何著色器（GeometryShader）
- 曲面細(xì)分著色器（TesellationShader）
目前 OpenGL ES 3.0 只支持頂點(diǎn)著色器和片元著色器可編程。
OpenGL在處理著色器時(shí)，和其他編譯器一樣，需要經(jīng)過編譯、鏈接等步驟，如果我們要自定義著色器，就需要經(jīng)過這些步驟，著色器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著色器和片元著色器的運(yùn)算邏輯。
OpenGL繪制過程如下：
- 頂點(diǎn)著色器對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算
- 裝配圖元，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖元
- 光柵化，將圖元轉(zhuǎn)換成柵格化數(shù)據(jù)
- 將光柵化的數(shù)據(jù)傳入片元著色器，片元著色器會(huì)一個(gè)個(gè)像素去計(jì)算，最終決定像素的顏色
綜上，著色器的作用就是操作GPU做計(jì)算的。
7.1、頂點(diǎn)著色器（vertexShader）
頂點(diǎn)著色器是處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)、平移、投影等操作的，每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過一次頂點(diǎn)著色器處理，這個(gè)處理的操作是并行的，在頂點(diǎn)著色器處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)過程中，無法訪問其他頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。
通俗點(diǎn)講，頂點(diǎn)數(shù)據(jù)是基于自身坐標(biāo)系，我們可以看懂的三維坐標(biāo)系，但想渲染到屏幕上需要轉(zhuǎn)換成二維的歸一化坐標(biāo)系，頂點(diǎn)著色器就是干這個(gè)的。
7.2、片元著色器（FragmentShader）
片元著色器是處理像素點(diǎn)顏色的計(jì)算和填充，一個(gè)圖像有成千上萬個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)經(jīng)過一次片元著色器的處理，這個(gè)操作也是并行的，顯然CPU做不到這么龐大的計(jì)算（CPU更擅長(zhǎng)判斷、調(diào)度），這個(gè)過程是在GPU上執(zhí)行的。
8、GLSL（OpenGL Shading Lauguage）
這個(gè)語言和C語言類似，GLSL的著色器代碼分為頂點(diǎn)著色器和片元著色器2部分，它是在GPU上執(zhí)行的，使得渲染管線不同層次具有了可編程性。
9、光柵化
圖形在經(jīng)過頂點(diǎn)著色器轉(zhuǎn)化成歸一化的二維坐標(biāo)系，經(jīng)過光柵化處理后，轉(zhuǎn)換為片元，而片元對(duì)應(yīng)幀緩沖區(qū)中的像素點(diǎn)，這個(gè)過程會(huì)分配一個(gè)顏色值和一個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域，光柵化的過程即將一個(gè)幾何圖元變成二維圖形
10、紋理
紋理可以簡(jiǎn)單的理解為圖片，一個(gè)png或jpg圖片要渲染到屏幕上，需要先由CPU解碼成紋理，才能交付給GPU渲染到屏幕。
11、混合（blender）
有時(shí)像素點(diǎn)沒有完全剔除，或兩個(gè)顏色疊加，會(huì)出現(xiàn)混合的情況，OpenGL有提供具有混合算法的函數(shù)，但混合算法有限，如果需要復(fù)雜的混合算法，可以通過片元著色器實(shí)現(xiàn)，但性能略差于OpenGL的混合算法函數(shù)。
12、矩陣
- 變換矩陣：圖像的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作都需要使用矩陣變換。
- 投影矩陣：將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2D屏幕坐標(biāo)。
13、渲染上屏/幀緩沖（SwapBuffer）
要了解渲染上屏和幀緩沖，我們首先要了解屏幕上的圖像是怎么顯示的。
顯示器的刷新是逐行進(jìn)行的，渲染完一行接著渲染第二行，在整屏渲染完后會(huì)發(fā)送一個(gè)垂直信號(hào)，如下圖所示。
顯示器通過視頻控制器指向的幀緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)打印到屏幕，幀緩沖區(qū)一般有兩個(gè)以上，視頻控制器指向的是屏幕緩沖區(qū)，未指向的是離屏緩沖區(qū)。
GPU經(jīng)過頂點(diǎn)著色器······片元著色器渲染，將數(shù)據(jù)存入離屏緩沖區(qū)，等待下一次垂直信號(hào)時(shí)，交換兩個(gè)幀緩沖區(qū)，然后 GPU 接著渲染下一幀畫面，存入當(dāng)前的離屏緩沖區(qū)。
上面描述的就是渲染上屏和交換緩沖區(qū)的概念，請(qǐng)參照下圖理解。
14、2D坐標(biāo)系、3D坐標(biāo)系
2D坐標(biāo)系就是X軸、Y軸，3D坐標(biāo)系就是多了一個(gè)Z軸。
15、視口
視口是在窗口中用來顯示圖形的一塊區(qū)域，它可以和窗口等大，也可以比窗口小，只有繪制在視口區(qū)域的圖形才能顯示，一般都是讓視口和窗口等大，視口通過glViewPort()函數(shù)去設(shè)置。
16、正投影、透視投影
正投影：像照鏡子一樣，物體在鏡子上是等大的，不會(huì)因?yàn)檫h(yuǎn)近而放大縮小。一般平面圖形會(huì)用正投影。
透視投影：和眼睛看到的效果一樣，比如近處的人比遠(yuǎn)處的山高，一般立體圖形會(huì)用透視投影
17、坐標(biāo)系
規(guī)范化坐標(biāo)系區(qū)間是[-1,1]。
17.1 攝像機(jī)坐標(biāo)系
指從某個(gè)角度看向物體，起點(diǎn)為原點(diǎn)，上下為y軸，左右為x軸，上后為z軸
17.2 世界坐標(biāo)系
世界坐標(biāo)系是系統(tǒng)的絕對(duì)坐標(biāo)系，在沒有建立起用戶坐標(biāo)系以前，每個(gè)物體的坐標(biāo)點(diǎn)都可以根據(jù)世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)確定位置。
17.3 物體坐標(biāo)系
每個(gè)物體都有自己的坐標(biāo)系，是相對(duì)于自己而言的。
17.4 慣性坐標(biāo)系
慣性坐標(biāo)系和物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，但慣性坐標(biāo)系的軸平行于世界坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系只需要平移，到物體坐標(biāo)系只需要旋轉(zhuǎn)。
17.5 總結(jié)
物體坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)需要經(jīng)過下列步驟
物體坐標(biāo)（模型變換）-> 世界坐標(biāo)（視變換）-> 攝像機(jī)坐標(biāo)（投影變換）-> 裁剪坐標(biāo)（透視除法）-> 規(guī)范化坐標(biāo)（視口變換）-> 屏幕坐標(biāo)
OpenGL中，只定義了裁剪坐標(biāo)系、規(guī)范化坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系，其他的坐標(biāo)系都是為方便用戶設(shè)計(jì)而自定義的坐標(biāo)系。
模型變換、視變換、投影變換可以根據(jù)用戶需求自行處理，在頂點(diǎn)著色器中完成
透視除法、視口變換是OpenGL自動(dòng)完成的，在頂點(diǎn)著色器處理后的階段完成。
18、著色器渲染流程
總結(jié)
以上就是學(xué)習(xí) OpenGL 所要具備的基礎(chǔ)知識(shí)，不必完全弄明白，后面跟著 Demo 遇到不明白的術(shù)語來這里看一下，慢慢就熟悉了。
