1.1:OpenGL 专有名词解析

context 上下文

  • OpenGL 的函数类似 C语言一样,是面向过程的,调用函数时需要知道现在的一些设置情况。譬如我想显示图片,就要知道现在有没有开美颜滤镜。

  • 这些设置有很多,它们保存在一个地方,被称之为状态机,也就是 OpenGL 的 context 上下文。

  • 也相当于一个状态机,具备记忆设定的功能。

  • 举2个例子类比 context 的作用:

    • PhotoShop 工具栏选择的笔刷,调整粗细、颜色,就类似状态机,等真正使用的时候能出现期望的效果。(感谢蛙经神同学的比喻)

    • 网络请求 manager.get('/FriendList') 的 manager,里面预设了 根url、http头、是否启用 SSL 等,get方法依赖于这些设置。

VertexArray 顶点数组 和 VertexBuffer 顶点缓冲区

  • 都能存放顶点的坐标数据

    • 顶点数组在 内存
    • 顶点缓冲区在 显存

管线

  • OpenGL 是面向过程处理问题的,渲染图形时 如同生产的流水线,严格按照顺序地 经历一个个节点 来处理。

  • 以上整个流程被称之为 管线。很明显,同一个输入,使用不同管线能得到 不同的输出结果。

固定管线 = 存储着色器

  • 经过封装的管线。我们只需要调用函数就能出结果,初学可以,但实际不使用:

    • 想想看,HttpManager.enableSSL 有初始值,但开发者没法手动更改...

可编程管线

  • 和固定管线相比,开放了 2个可编程模块 (不可能全开放的)。

Shader 着色器程序

  • 简单理解,由 GPU 处理的代码 = Shader,有几种:

    • VertexShader 顶点着色器,坐标,处理每一个顶点的 旋转、平移、投影,譬如坐标转换。

    • FragmentShader 片元着色器,颜色,处理图形中每个像素点的颜色计算和填充,譬如美颜滤镜。

    • TessellationShader 曲面细分着色器

    • GeometryShader 几何着色器

GLSL = OpenGL Shading Language

  • GLSL = OpenGL 着色器语言 (业界有其他类似的语言用在 DirectX 和 Unity Shader:HLSL 和 CG语言)

  • 这些语言是写给 GPU 读的,就像 C++、Swift 是写给 CPU 读的。

Rasterization 光栅化

  • 是把 顶点 => 片元 的过程,包含 2个步骤:

    • 给出 3个顶点,并声明为三角形,找出该三角形包含的所有像素点;

    • 分配 颜色值 和 深度值。

  • 此过程由 OpenGL 自动完成,用户无法操作。

  • 换个说法:把 物体的顶点坐标和颜色描述 => 屏幕上对应位置的像素及其颜色,就像把模拟信号转换为离散信号 (屏幕像素点有限,不可能显示绝对圆 之类的)。

  • 再换个说法:屏幕是 2D 的,把美少女拍扁成二次元图像才能显示到屏幕,类似映射过程。

纹理

  • 纹理 = 图片。建模一个球体,盖上一个精美贴图,它就变成了地球。

Blending 混合

  • 半透明的东西,颜色和背后的物体有关,这时就用到了混合。OpenGL 提供了一些混合算法,如果无法满足需求,就自己写 混合方程式 (譬如 黑色×黑色=白色),当然性能会比原生差一丢丢。(也能自己用片元着色器做混合)

Transformation 变换矩阵 和 Projection 投影矩阵

  • 图形发生 平移、缩放、旋转,要使用变换矩阵

  • 3D坐标 => 2D坐标,要使用投影矩阵

投影方式

  • 透视投影:启用近大远小。
  • 正投影:一律按照原大小,禁用近大远小。

SwapBuffer 交换缓冲区/渲染上屏

  • GPU 算好要显示的图形,这个图形的数据放在缓冲区,屏幕拿就将它显示出来。

  • 如果只有一个缓冲区,就相当于边算边显示,有时还没算完就要显示,窗口可能会显示出不完整的图像。

  • 于是,常规的 OpenGL程序 至少会有 2个缓冲区:

    • 当前显示在屏幕的: 屏幕缓冲区
    • 还没显示在屏幕的,正在运算/运算完毕: 离屛缓冲区
  • 它们不断切换的行为,就是 交换缓冲区

  • 另外,显示器的刷新,通常是逐行进行的,1920×1080像素的显示器,每次刷新 1行共计1920个像素点。理所当然,应该等 1080行 全部刷新完,再进行下次的刷新,避免 前后两帧画面 混在一起。

  • 这时需要一个信号,表示 "这次刷新已完成,准备就绪,可以进行下次刷新了",也叫做 垂直同步信号。这个技术被称为 垂直同步

  • 然后问题来了:不交换缓冲区,就没法进行下一帧渲染运算。

  • 于是,出现三缓冲区技术。

坐标系

image.png
  • 物体坐标,以物体为基准的坐标系。如果是个平面站立人体,一般来说门牙缝的 x=0,脚底的 y=0。

  • 世界坐标,以全局为基准的坐标系。一般来说 X轴平行于窗口底边,Y轴平行于窗口侧边。

  • 惯性坐标,无实际意义,用于做转换运算:物体坐标 <=> 惯性坐标 <=> 世界坐标。

    • 惯性坐标的原点和物体坐标一致,两坐标系通过旋转转换。
    • 惯性坐标的X轴Y轴与世界坐标水平,两坐标系通过平移转换。

坐标变换流程

用 3D建模 的感觉来说明 变换流程 和 变换所得结果。

  • Object Space 物体/对象坐标。模型自己。

    • Modeling Transformation 模型变换。可能用到惯性坐标。
  • World Space 世界坐标。把模型放到世界,坐标变成世界坐标。

    • Viewing Transformation 视变换
  • Eye Space 观察者/摄像机坐标。世界坐标是一回事,摄像机拍出来显示的位置是另一回事,如果摄像机距离物体们无限远,这些物体就很靠近 摄像机坐标系的原点(0, 0)。

    • Projection Transformation 投影变换,透视投影/正投影
  • Clip Space 裁剪坐标。从俯瞰角度来说,正投影 = 只能看到头顶和肩膀 (魂斗罗2D),透视投影 = 还能看到腹肌 (俯视纽约能看到建筑物的侧面)。

    • Perspective Divide 透视除法 = 将齐次坐标中的 W分量 转换为1 (齐次坐标正确化)

      齐次坐标在计算机图形中的应用 https://www.jianshu.com/p/5a57ff3f88f2
      作者:CC老师_HelloCoder

  • NDC Space 规范化设备坐标 (Normalized Device Coordinates)。XY值都在 [-1, 1] 区间内,否则不会在窗口 (如果是全屏就是屏幕) 显示。

    • ViewPort Mapping 视口变换。显示的窗口 不一定 = 全屏幕,这个也相当于 相对坐标 => 屏幕绝对坐标。
  • Screen Space 屏幕坐标。和使用的屏幕相关,譬如经典的 1920×1080屏幕。

变换矩阵

  • 上述的多种坐标之间的变换会用到,A坐标 ×变换矩阵 = B坐标

用户 可/不可 操作的坐标变换流程

image.png
  • OpenGL 只定义了

    • 裁剪坐标系
    • 规范化设备坐标系
    • 屏幕坐标系
  • 剩余的都是用户方便自己操作所定义的坐标系,OpenGL 只关心用户提供的 裁剪坐标系。

  • 拿到裁剪坐标系之后的变换,用户不用操心 (也操做不了),OpenGL 自动完成。

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