1、图形API简介

1、OpenGL(Open Graphics Library)

是一个跨编程语言、跨平台的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象称为一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令

2、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。

3、DirectX

是由很多API组成的，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.

4、Metal:

Meta1: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

App的渲染流程图

2、OpenGL专业名词解析

2.1、OpenGL 上下⽂ ( context )

在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，需要安排⾸先创建⼀个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操作，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.

2.2、OpenGL 状态机

状态机是理论上的⼀种机器.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，变不再接收输入，停⽌⼯作;

在OpenGL中解释为：

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;

2.2、渲染

将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫做渲染(Rendering)

2.3、顶点数组（VertexArray）和顶点缓冲区（VertexBuffer）

画图一般是先画好图像的⻣架，然后再往骨架里面填充颜色，这对于 OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架，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、三⻆角形。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。

着色器渲染过程

在渲染过程中，必须存储2种着⾊器，分别是顶点着⾊器、⽚元着⾊器。顶点着⾊器是第⼀个着⾊器、⽚元着⾊器是最后一个。顶点着⾊器中处理顶点、⽚片元着⾊器处理像素点颜色。

2.4、着⾊器程序Shader

CPU用来调用的函数代码段
固定着色器：苹果提供的固定API来供开发者调佣
自定义着色器：开发者自己定义（GLSL着色器语言）
顶点着色器：用来处理顶点相关的代码，1、确定位置。2、缩放/平移/旋转。3、手机端显示3D到2D的转换。
片原着色器：处理每一个像素点（如图片的饱和度调整）

2.5、管线

在OpenGL下渲染图形，就会有经历⼀个⼀个节点。而这样的操作可以理解管线。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。

2.6、固定管线/存储着⾊器

在早期的OpenGL版本，它封装了很多种着⾊器程序块内置的一段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定Shader程序来完成，来帮助开发者来完成图形的渲染.。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。
但是由于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。

2.7、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。
光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。片元中的每⼀个元素对应于帧缓冲区中的⼀个像素。
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。

2.8、纹理

纹理可以理解为图⽚。

2.9、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。

2.10、变换矩阵（Transformation）

例如图形想发生平移,缩放，旋转变换。就需要使用变换矩阵。

2.11、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。

2.12、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，实现充分利利硬件性能的⽬的

3、笛卡尔积

3.1、2D笛卡尔坐标

2D笛卡尔坐标

3.2、3D笛卡尔坐标

3D笛卡尔坐标

4、视口

视口300*200

视口1:1显示

5、OpenGL投影方式

5.1、透视投影法（Perspective projection）

通过视点发射视线与画面相交形成物体投影，其成像具有近大远小的视觉效果，常用于建筑效果图、产品展示及三维场景可视化。

Perspective projection

5.2、正交投影（Orthographic projection）

正交投影在几何学中特指平行投影，即投影中心到投影面的距离视为无限远，所有投影线平行

Orthographic projection

5.3、OpenGL摄像机坐标系

摄像机坐标

5.4、世界坐标、惯性坐标、物理坐标系

坐标系

1、OpenGL基础