0. 初識(shí)圖形API

OpenGL(Open Graphics Library)是?個(gè)跨編程語(yǔ)?言、跨平臺(tái)的編程圖形程序接?口，它將計(jì)算機(jī)的資源抽象稱(chēng)為?個(gè)OpenGL的對(duì)象，對(duì)這些資源的操作抽象為?個(gè)的OpenGL指令。

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)，去除了了許多不不必要和性能較低的API接?口。

DirectX是由很多API組成的，DirectX并不不是?個(gè)單純的圖形API. 最重要的是DirectX是屬于 Windows上?個(gè)多媒體處理理API。并不支持Windows以外的平臺(tái)，所以不是跨平臺(tái)框架， 按照性 質(zhì)分類(lèi)，可以分為四?大部分，顯示部分、聲?音部分、輸?入部分和?網(wǎng)絡(luò)部分。

Metal: Apple為游戲開(kāi)發(fā)者推出了了新的平臺(tái)技術(shù)Metal，該技術(shù)能夠?yàn)?3D 圖像提?高 10 倍的渲染性能。Metal是Apple為了了解決3D渲染?而推出的框架。

1. OpenGL狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)可以理解為一臺(tái)可以保存狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)輸出的機(jī)器。

核心要點(diǎn)：

記憶功能，保存當(dāng)前狀態(tài)

接收輸入，修改當(dāng)前狀態(tài)，或根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸出

當(dāng)進(jìn)?特殊狀態(tài)(停機(jī)狀態(tài))時(shí)，不再接收輸?，停?工作

2. OpenGL上下文(context)

在應(yīng)?程序調(diào)?任何OpenGL的指令之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建?個(gè)OpenGL的上下?文。這個(gè)上下?是?個(gè)?常龐?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)?的基礎(chǔ)。

OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語(yǔ)?中，都是類(lèi)似C語(yǔ)?一樣的面向過(guò)程的函數(shù)。本質(zhì)上都是對(duì)OpenGL上下?這個(gè)龐?的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對(duì)象進(jìn)行操作。通過(guò)對(duì)OpenGL指令的封裝，可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)?封裝成為?個(gè)?向?qū)ο蟮膱D形API。

由于OpenGL上下?是?個(gè)巨?大的狀態(tài)機(jī)，切換上下文往往會(huì)產(chǎn)生較?的開(kāi)銷(xiāo)，但是不同的繪制模塊，可能需要使?完全獨(dú)立的狀態(tài)管理。因此，可以在應(yīng)?程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下文，在不同線程中使?不同的上下文，上下?之間共享紋理、緩沖區(qū)等資源。這樣的?方案，會(huì)?比反復(fù)切換上下?，或者?量修改渲染狀態(tài)，更加合理高效。

核心要點(diǎn)：

OpenGL指令執(zhí)?的基礎(chǔ)，是?個(gè)?常龐?的狀態(tài)機(jī)。

OpenGL上下文切換開(kāi)銷(xiāo)大。雖然可能使用多個(gè)上下文，但上下文之間會(huì)共享紋理、緩沖區(qū)等資源。

OpenGL的函數(shù)雖然是面向過(guò)程的，但可以把相關(guān)的調(diào)用封裝為面向過(guò)程的圖形API。

3. 渲染

將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D空間圖像操作叫做渲染(Rendering)。

4. 頂點(diǎn)數(shù)組和頂點(diǎn)緩沖區(qū)

頂點(diǎn)數(shù)據(jù)就是圖像的輪廓。OpenGL中的圖像都是由圖元組成。在OpenGL ES中，有3種類(lèi)型的圖元：點(diǎn)、線、三?形。

在調(diào)?繪制?法的時(shí)候，直接由內(nèi)存?zhèn)魅腠旤c(diǎn)數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)這部分?jǐn)?shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中的，被稱(chēng)為頂點(diǎn)數(shù)組(VertexArray)。

?性能更高的做法是，提前分配?塊顯存，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳?到顯存當(dāng)中。這部分的顯存，就被稱(chēng)為頂點(diǎn)緩沖區(qū)(VertexBuffer)。

核心要點(diǎn)：

3種類(lèi)型的圖元：點(diǎn)、線、三?形。

頂點(diǎn)數(shù)組(VertexArray)在內(nèi)存中。

頂點(diǎn)緩沖區(qū)(VertexBuffer)在緩存中。

5. 管線

在OpenGL下渲染圖形，就會(huì)經(jīng)歷?個(gè)?個(gè)的節(jié)點(diǎn)。而這樣的操作可以理理解管線。就像一個(gè)流?線，任務(wù)按照先后順序依次執(zhí)行。管線是?個(gè)抽象的概念，之所以稱(chēng)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(lái)的，而且嚴(yán)格按照這個(gè)順序。

核心要點(diǎn)：

任務(wù)嚴(yán)格按順序依次執(zhí)行。

6. 固定管線/存儲(chǔ)著色器

在早期的OpenGL版本，封裝了多種著色器程序塊，內(nèi)置了一段包含了光照、坐標(biāo)變換、裁剪等諸多功能的固定shader程序來(lái)完成。來(lái)幫助開(kāi)發(fā)者來(lái)完成圖形的渲染。開(kāi)發(fā)者只需要傳入相應(yīng)的參數(shù)，就能快速完成圖形的渲染。類(lèi)似于iOS開(kāi)發(fā)會(huì)封裝很多API，而我們只需要調(diào)?，就可以實(shí)現(xiàn)功能，不需要關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)原理。

但是由于OpenGL的使?場(chǎng)景?常豐富，固定管線或存儲(chǔ)著?器?法完成每一 個(gè)業(yè)務(wù)，這時(shí)將相關(guān)部分開(kāi)放成可編程。

核心要點(diǎn)：

早期的OpenGL版本封裝的輔助快速開(kāi)發(fā)的著色器程序塊。

由于提供的功能有限，后期變成了可編程的形式。

7. 著?器程序(Shader)

將固定渲染管線架構(gòu)變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€。

OpenGL在實(shí)際調(diào)?繪制函數(shù)之前，還需要指定?個(gè)由shader編譯成的著色器程序。常見(jiàn)的著?器主要有頂點(diǎn)著?器(VertexShader)，?段著?器(FragmentShader)/像素著?器(PixelShader)，幾何著?(GeometryShader)，曲?細(xì)分著?器(TessellationShader)。片段著?器和像素著?器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已?？上У氖?，直到OpenGL ES 3.0，OpenGL ES依然只?持頂點(diǎn)著?器和片段著?器這兩個(gè)最基礎(chǔ)的著?器。

OpenGL在處理理shader時(shí)，和其他編譯器一樣。通過(guò)編譯、鏈接等步驟，?成了著?器程序(glProgram)，著?器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著?器和?段著?器的運(yùn)算邏輯。在OpenGL進(jìn)行繪制的時(shí)候，?先由頂點(diǎn)著?器對(duì)傳?的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)?運(yùn)算。再通過(guò)圖元裝配，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元。然后進(jìn)?光柵化，將圖元這種?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?段著?器中進(jìn)?運(yùn)算。?段著?器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中的每一個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)算，并決定像素的顏?。

核心要點(diǎn)：

將固定渲染管線架構(gòu)變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€。

常見(jiàn)的著?器主要有頂點(diǎn)著?器，?段著?器/像素著?器，幾何著?，曲?細(xì)分著?器。

OpenGL ES只?持頂點(diǎn)著?器和片段著?器。

OpenGL通過(guò)編譯、鏈接等步驟，將?成著?器程序。

在OpenGL進(jìn)行繪制的時(shí)候，由頂點(diǎn)著?器對(duì)傳?的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)?運(yùn)算。再通過(guò)圖元裝配，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元。之后進(jìn)?光柵化，將圖元這種?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?段著?器中進(jìn)?運(yùn)算。?段著?器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中的每一個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)算，并決定像素的顏?。

7.1 頂點(diǎn)著?器(VertexShader)

頂點(diǎn)著?器是OpenGL中?于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序。

?般來(lái)說(shuō)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)算等等。頂點(diǎn)坐標(biāo)由?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)?的。

頂點(diǎn)著?器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序，也就是說(shuō)每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)執(zhí)?一次頂點(diǎn)著?器。當(dāng)然這是并行的，并且頂點(diǎn)著?器運(yùn)算過(guò)程中?法訪問(wèn)其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

核心要點(diǎn)：

?般?來(lái)處理理圖形每個(gè)頂點(diǎn)變換(旋轉(zhuǎn)/平移/投影等)。

并行計(jì)算，且運(yùn)算過(guò)程中?法訪問(wèn)其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

7.2 片段著?器(FragmentShader)

?段著?器是OpenGL中?于計(jì)算?段(像素)顏?的程序。一般?來(lái)處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏?計(jì)算和填充。

?段著?器是逐像素運(yùn)算的程序，也就是說(shuō)每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)?一次?段著?器，當(dāng)然也是并?的。

核心要點(diǎn)：

一般?來(lái)處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏?計(jì)算和填充。

并行計(jì)算，且運(yùn)算過(guò)程中?法訪問(wèn)其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

8. GLSL(OpenGL Shading Language)

GLSL著色語(yǔ)?是?來(lái)在OpenGL中著?編程的語(yǔ)?，是在圖形卡的GPU上執(zhí)?的。代替了固定的渲染管線的?部分，使渲染管線中不同層次具有可編程性。?如：視圖轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等。GLSL(GL Shading Language)的著?器代碼分成2個(gè)部分: Vertex Shader(頂點(diǎn)著?器)和Fragment(?斷著?器)。

9. 光柵化(Rasterization)

光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過(guò)程。具有將圖轉(zhuǎn)化為?個(gè)個(gè)柵格組成的圖象 的作?，特點(diǎn)是每個(gè)元素對(duì)應(yīng)幀緩沖區(qū)中的?像素。

光柵化其實(shí)是?種將?何圖元變?yōu)槎S圖像的過(guò)程。該過(guò)程包含了兩部分的?作。第?部分工作：決定窗?坐標(biāo)中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?；第?部分?作：分配一個(gè)顏?值和?個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域。

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?于填充像素的顏?，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光柵化。這是?個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過(guò)程。

核心要點(diǎn)：

光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過(guò)程。

該過(guò)程包含了兩部分的?作：①?zèng)Q定窗?坐標(biāo)中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?；②分配一個(gè)顏?值和?個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域。

10. 紋理(Texture)

紋理可以理解為圖?。 在渲染圖形時(shí)需要在頂點(diǎn)圍成的區(qū)域中填充圖?，使得場(chǎng)景更加逼真。?這?使?的圖?，就是常說(shuō)的紋理。只是在OpenGL，我們更加習(xí)慣叫紋理，?不是圖?。

11. 混合(Blending)

在測(cè)試階段之后，如果像素依然沒(méi)有被剔除，那么像素的顏?將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏?附著上的顏色進(jìn)?混合，混合的算法可以通過(guò)OpenGL的函數(shù)進(jìn)行指定。但是OpenGL提供的混合算法有限。如果需要更加復(fù)雜的混合算法，一般可以通過(guò)片段著?器進(jìn)?實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)?原?的混合算法差?些。

12. 矩陣

12.1 變換矩陣(Transformation)

例如圖形想發(fā)?平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等變換，就需要使用變換矩陣。

12.1 投影矩陣(Projection)

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

13. 渲染上屏/交換緩沖區(qū)(SwapBuffer)

渲染緩沖區(qū)?般映射的是系統(tǒng)的資源?如窗?。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。

值得注意的是，如果每個(gè)窗?只有?個(gè)緩沖區(qū)，那么在繪制過(guò)程中屏幕進(jìn)?了刷新，窗?可能顯示出不完整的圖像。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，常規(guī)的OpenGL程序?少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)。顯示在屏幕上的稱(chēng)為屏幕緩沖區(qū)，沒(méi)有顯示的稱(chēng)為離屏緩沖區(qū)。在一個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后，通過(guò)將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上顯示。

由于顯示器的刷新?般是逐?進(jìn)?的，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，交換一般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)，在顯示器器兩次刷新的間隔中進(jìn)?交換，這個(gè)信號(hào)就被稱(chēng)為垂直同步信號(hào)，這個(gè)技術(shù)被稱(chēng)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)?下?幀的渲染，使得幀率無(wú)法完全達(dá)到硬件允許的最??平。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引?了三緩沖區(qū)技術(shù)。在等待垂直同步時(shí)，來(lái)回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，?垂直同步發(fā)?生時(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)充分利利?硬件性能的?的。

核心要點(diǎn)：

如果每個(gè)窗?只有?個(gè)緩沖區(qū)，若在繪制過(guò)程中屏幕進(jìn)?了刷新，窗?可能顯示出不完整的圖像。為了解決這個(gè)問(wèn)題，常規(guī)的OpenGL程序?少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)。

垂直同步：由于顯示器的刷新?般是逐?進(jìn)?的，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，交換一般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)，在顯示器器兩次刷新的間隔中進(jìn)?交換，這個(gè)信號(hào)就被稱(chēng)為垂直同步信號(hào)，這個(gè)技術(shù)被稱(chēng)為垂直同步。

三緩沖區(qū)技術(shù)：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)?下?幀的渲染，使得幀率無(wú)法完全達(dá)到硬件允許的最??平。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引?了三緩沖區(qū)技術(shù)。在等待垂直同步時(shí)，來(lái)回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，?垂直同步發(fā)?生時(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)充分利利?硬件性能的?的。

作者：收納箱

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