OpenGL中那些晦涩难懂的名词、动词

对于初次接触图形处理学，第一个难关就是要面对大量晦涩难懂的概念，而这些概念也是学习OpenGl的第一道门槛，毕竟这是歪果仁提出的概念，及时翻译过后也会有一些不好理解的地方。本文中我将重点解释一些我自己的理解，如有偏差可以再下方交流指正。

• GPU

说起图形处理，一定是离不开GPU的，因为我们所做的操作，最终都会由GPU负责展示到监视器上。而这个过程中就离不开计算，计算每一个像素点的颜色信息。所以GPU是计算图像数据的单元。
说起计算，在我的理解里CPU就是专门用于做二进制运算的计算单元、控制单元，可以处理复杂的逻辑和依赖，那为什么还需要GPU呢？

1. 现在的显示内容越来越复杂（多边形、3d、光影、甚至是动态的图像内容），仅仅靠CPU及做图像数据的计算，还要做其他工作，设备使用起来就会非常卡顿。
2. 基于GPU的特性（图形运算单元）：擅长通过并行的方式来进行数学计算，让我想起了为什么要使用GPU来进行比特币的“挖矿”操作了。
   所以将逻辑计算交给CPU，将图像运算交给GPU。合理分工，最大程度的提高计算机的性能。

3. 通过硬件的角度分析一下两者的不同：CPU中有计算单元、也有控制单元，必然导致并发执行能力会比较弱，抛开多核来讲，cpu的并发其实是通过时间片切换来实现的，并不是真正意义上的并发但是CPU。而GPU中有大量的计算单元，可以真正意义的并发进行数学计算，但是并不擅长处理逻辑和依赖。

   
   

• OpenGL

1. 首先要知道的是OpenGL是一种跨平台、跨语言的API规范，也可以简单的理解为一套协议（没有看到网上有这种解读，不知道对不对）。其中规定了可以操作哪些图像、图形API。开发者就可以通过这套API规范在各种平台上操作GPU来实现一些功能。更加严谨的说是GPU必须提前满足OpenGL规范才可以。
2. OpenGL本身是规范，但是想要在具体的平台、语言下使用还是需要有对应的API实现的。所以说我们用是OpenGL的实现。

• OpenGL ES

它是OpenGL的三维图形子子集，主要是为了满足：iphone、ipad等便携式设备的特性。作为子集一定是抛弃了很多无需且低效的API，来满足便携式设备的特点。

• Metal

是苹果自己开发的一套用来替换OpenGL ES的API，目的都是为了让GPU来做事情。毕竟是用别人的规范会有很多限制，苹果大大也不会甘愿受制于人。而且在OpenGL ES的基础上做了很多优化，使得3D渲染能力提升了10倍，并且与2018年开始全面使用。

• 状态机

状态机就是保存对象在整个生命周期中的各种状态、所需参数，同样也可以通过状态机来进行状态、参数的修改。

举例

状态机就像是一台微波炉，它有时间、温度、模式等各种参数，当然它也掌握着内部食物的加热、熟没熟等情况。你可以通过微波炉来调解你需要的加热方式、时间，你也可以通过微波炉的面板来知晓选择了哪种加热方式、时间，等食物加热完成后会有提示音来告诉你当前食物已经加热完成。
当然如果你加热完成后没有将各种参数重置，下次加热依旧会使用之前的各种参数。如果你开启后没有关闭，微波炉也会一直处于工作状态。
类比状态机也是一样需要你在开始工作之前，进行各种参数的设定，在任务完成后需要手动关闭它。

• OpenGl上下文

1. 通过资料知道OpenGl上下文是一个巨大的状态机，其中保存着各种OpenGl工作所需的各种参数以及状态。
2. 你所写的当前程序是一个窗口，一个窗口对应一个上下文，而最终都要交付给GPU去处理。
3. 根据图可以看出上下文可以共享GPU的缓存等资源

graph TD
c(客户端1) --> b(OpenGL上下文1)
e(客户端2) --> d(OpenGL上下文2) 
g(客户端3) -->f(OpenGL上下文3)
b --> a[GPU]
d --> a[GPU]
f --> a[GPU]

• 渲染

将可以用于展示的图片、视频、可视化控件，绘制到屏幕上的过程，其中还包含了图片的编码、解码工作。这一系列过程叫做渲染，我理解应该是一个动词。

• 图元

首先需要明确一个概念图元，在OpenGl中图元包含：点、线、三角形。也就是说我们看到的任何图形都是由这三个基本元素组成的。

• 顶点数组、顶点缓存区

1. 我们看到的图形都是通过三种图元组合完成的，而所有图元的顶点之和就是顶点数据。
2. 将顶点数据保存到内存中，就称为顶点数组。
3. 将顶点数据保存到GPU的显存中，就称为顶点缓存区
   

• 管线

从图片到显示在屏幕上需要一个过程。管线就是规定了整个过程的每一步，并且需要严格遵守。最贴切的比喻就是工厂里的流水线，很好理解。

在最后一步测试与混合中，实际进行了以下几步的操作。

固定管线

在OpenGL的早期，提供了很多API来帮助开发者快速完成渲染流程。开发者只需要根据API传入对应的参数即可，其实就是在使用一些已经创建好的shader（着色器），但是由于应用场景太过单一，适用范围非常有限。

可编程管线

1. 通过发现固定管线的问题，继而推出了可编程管线，可以在某些位置进行一些自定义编程操作。
2. 其实放开自定义功能的只有管线中的顶点着色器、片元（片段）着色器。相信以后会开放更多。

• 着色器shader

在管线的解释中已经遇到过shader（着色器）这个概念，每种着色器对应着不同功能模块。

• 顶点着色器：负责对顶点数据进行加工，将顶点信息放入屏幕中
• 图元装配：将所有顶点进行连线
• 几何着色器：将已有图形按照图元分解
• 光栅化：找出所有相关的像素点，把颜色附着上去
• 片元着色器：对每一个像素点进项颜色处理

固定着色器

和固定管线类似，都是提供编程好的API供开发者调用

自定义着色器

就是可以供开发者可以使用GLSL自定义一些着色器，其实也只有:顶点着色器、片元着色器

顶点着色器

可以自定义开发的着色器，可以将顶点信息进行编程。提现在图像的：位置移动、缩放、旋转、2D <-> 3D之间的坐标转换。

片元着色器

可以自定义开发的着色器，可以对每一个像素点进行编程，比如说图片的锐化度、亮度、饱和度调整等。

• GLSL（OpenGL Shading Language）

1. GLSL其使用C语言作为基础高阶着色语言，避免了使用汇编语言或硬件规格语言的复杂性。
2. 使用GLSL对顶点着色器、片元着色器进行自定义编程的编程语言

• 光栅化

就是将几何图形转化为二维图像（位图），包含两个步骤：
1.确定哪些像素点被使用， 将几何图元信息转化为像素信息，最终获得位图。

2. 分配一个颜⾊值和⼀个深度值到每个区域（片元着色器）。
   所有的格子就是光栅化第一步确定的，然后会分配一个颜色到栅格区。

   
   

所有的格子就是光栅化第一步确定的，然后会分配一个颜色到栅格区。

• 纹理(Texture)

纹理可以理解为图⽚。 在渲染图形时需要在顶点围成的区域中填充图⽚，使得场景更加逼真。⽽这⾥使⽤的图⽚，就是常说的纹理。只是在OpenGL，我们更加习惯叫纹理，⽽不是图⽚。

• 混合

根据字面意思理解就是将多种颜色合成一种，而这个合成后的颜色是需要进行计算的。OpenGL中已经提供了一些固定的混合算法，但是平时开发中也会使用自定义片元着色器来完成，但是效率会比固定混合算法差一些。

• 变换矩阵

在OpenGL中想要图形发生平移、缩放、旋转就需要变换矩阵进行计算。

• 投影矩阵

1. 在OpenGL中想要3D坐标转换为2D坐标，就需要投影矩阵进行计算。
2. 而结果是由观察者（camera）的位置、以及图像位置本身两者共同决定的。所以想要移动一个图像位置，既可以移动观察者、也可以移动图像本身。

• 显示流程

由CPU进行逻辑计算处理->将数据传递给GPU->通过计算单元并行计算后->存入帧缓存区（显存）->由视频控制器将计算好的位图信息读取出来->数模转换（数字信号转为电子信号）->显示器显示