Open GL专业术语-1

图形API简介

图形API是我们开发者做图形图像开发时用到的相关技术，下面介绍一下相关技术。

  • OpenGL(Open Graphics Library)是一个跨编程语言、跨平台的编程接口，它将计算机的资源抽象为一个个的OpengGL对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL的指令。
  • OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是OpenGL 三维图形的API子集，针对⼿手机、 PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备⽽而设计，去除了了许多不不必要和性能较低的API接⼝。
  • DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不不是⼀一个单纯的图形API. 最重要的是DirectX是属于 Windows上⼀一个多媒体处理理框架.并不不⽀支持Windows以外的平台,所以不不是跨平台框架. 按照性 质分类，可以分为四⼤大部分，显示部分、声⾳音部分、输⼊入部分和⽹网络部分。
  • Metal : 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。

作为iOS开发者，DirectX 是在Windows平台上做图形图像开发的技术可以不用去学习，OpenGL/OpenGL ES/Metal 是我们要学习和关注的重点。OpenGL ES/Metal 是在移动端（手机、pad、游戏主机等）的主要做图形图像的技术。OpengGL ES 是跨平台的 Android和iOS平台上都是用OpenGL ES去做的图像图像的渲染，只不过是上层的封装语言和API语法不同而已底层原理和API是一样的。Metal就不是跨平台的了，是Apple 专门推出的一套图形图像处理（主要是为了解决3D渲染）的框架。那么作为iOS 开发者是不是不用学习OpenGL ES 直接去学习Metal呢？答案当然是NO，现在的主流平台依然用的都是OpenGL 去做的图形图像渲染，iOS虽然推出了Metal，但是OpenGL ES也没有完全抛弃，OpenGL ES 和 Metal 是兼容可用的，有些OpenGL ES API 废弃了但是依然可用，毕竟Metal 要完全替代OpenGL ES 还需要时间。不管是OpenGL ES 还是Metal 它们的实现原理都是差不多的。学好OpenGL ES 再看Metal 应该是So Easy 的事情。

OpenGL 专业名词解析

  • OpenGL 上下文[context]

    • 在应⽤用程序调⽤用任何OpenGL的指令之前，需要安排首先创建一个OpenGL的 上下⽂文。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。

  • OpenGL 状态机

    • 状态机是理论上的一种机器.这个非常难以理解.所以我们把这个状态机这么理解.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，便不再接收输入，停⽌⼯作
    • 类推到OpenGL中来，可以这么简单的理解：
      • 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 可以接受输入(当调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接受我们的输入)，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
      • OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。在程序退出前，OpenGL总会先停止⼯作的

  • 渲染:将图形/图像数据转换成2D空间图像操作叫做渲染(Rendering)

  • 顶点数组[VertexArray ]和顶点缓冲区[VertexBuffer]

    • 画图一般是先画好图像的骨架，然后再往骨架里面填充颜色，这对于 OpenGL也是⼀样的。顶点数据就是要画图像的⻣架，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
      \color{red}{顶点可以理解为我们画一个物体，这个物体的关键点，例如画一个正方体，把正方体的8个顶点都画出来，然后用线连起来}
      \color{red}{就画出了正方体，这些顶点数据存放在数组里即顶点数组，顶点数组存在内存中。图形图像最终是要绘制在显示器上的，}
      \color{red}{需要显卡来完成这一操作，显卡会有显存，绘制前顶点数据会先传入到显存里来提高性能，这部分显存就是顶点缓冲区。}

  • 着色器程序Shader

    • 就全面的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此，OpenGL在实际调用绘制函数之前，还需要指定一个由shader编译成的着色器程序。常见的着色器主要有顶点着色器(VertexShader)，⽚段着⾊器器(FragmentShader)/像素着⾊器(PixelShader)，⼏何着色器 (GeometryShader)，曲面细分着色器(TessellationShader)。片段着色器和像素着色器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已。可惜的是，直到 OpenGL ES 3.0，依然只支持了顶点着⾊色器和⽚段着色器这两个最基础的着⾊器。
    • OpenGL在处理shader时，和其他编译器一样。通过编译、链接等步骤，⽣成了着色器程序(glProgram)，着⾊器程序同时包含了顶点着⾊器和⽚段着色器的运算逻辑。在OpenGL进⾏绘制的时候，⾸先由顶点着⾊器对传入的顶点数据进行运算。再通过图元装配，将顶点转换为图元。然后进⾏光栅化，将图元这种⽮量图形，转换为栅格化数据。最后，将栅格化数据传⼊片段着⾊器中进行运算。⽚段着⾊器会对栅格化数据中的每⼀个像素进行运算，并决定像素的颜⾊

  • 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

  • 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
      \color{red}{固定管线主要是指管线内的着色器是固定的几种，API提供了哪些就能用哪些不能自定义}

  • 可编程管线

    • 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即出现了可编程管线。
      \color{red}{可编程管线主要是指管线内的着色器不只是API提供的几种，可以自定义着色器}

  • 顶点着色器VertexShader

    • ⼀般⽤来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)
    • 顶点着⾊器是OpenGL中用于计算顶点属性的程序。顶点着⾊器是随顶点运算的程序，也就是说每个顶点数据都会执⾏⼀次点着⾊器，当然这是并行的，并且顶点着⾊器运算过程中⽆法访问其他顶点的数据，一般来说典型的需要计算的顶点属性主要包括顶点坐标变换、随顶点光照运算等等。顶点坐标由自身坐标系转换到归⼀化坐标系的运算，就是在这 ⾥里里发⽣的。

  • 片元着色器程序FragmentShader

    • ⼀般用来处理图形中每个像素点颜色计算和填充
    • 片段着⾊器是OpenGL中⽤于计算片段(像素)颜色的程序。⽚段着色器是随像素运算的程序，也就是说每个像素都会执⾏一次⽚段着⾊器，当然也是并⾏的

  • GLSL(OpenGL Shading Language)

    • OpenGL着⾊语⾔(OpenGL Shading Language)是用来在OpenGL中着⾊编程的语言，也即开发人员写的短⼩的自定义程序，他们是在图形卡的GPU (Graphic Processor Unit图形处理理单元)上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。⽐如:视图转换、投影转换等。GLSL(GL Shading Language)的着⾊器代码分成2个部分: Vertex Shader(顶点着⾊器)和Fragment(⽚元着⾊器)
      \color{red}{着色器是一段代码由GPU来执行，驱使GPU来工作将图形图像呈现在屏幕上}

  • 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

  • 纹理

    • 纹理可以理解为图片， ⼤家在渲染图形时需要在其编码填充图片,为了使得场景更加逼真.⽽这里使用的图⽚,就是常说的纹理.但是在OpenGL，我们更加习惯叫纹理,⽽不是图片

  • 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

  • 变换矩阵[Transformation]

    • 例例如图形想发⽣生平移,缩放,旋转变换.就需要使⽤用变换矩阵

  • 投影矩阵

    • 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

  • 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了刷新，窗⼝可能显示出不完整的图像
    • 为了解决上面的问题，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，实现充分利用硬件性能的⽬的

坐标系

  • 2D笛卡尔坐标系

    2D笛卡尔坐标系.png

  • 3D笛卡尔坐标系

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  • 视口

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视口可以理解为坐标系对应整个屏幕区域或部分屏幕区域的范围，在设置视口范围时要有（x,y,width,height）

  • OpenGL 投影方式

    • 投影指的是用一组光线将物体的形状投射到一个平面上去，称为“投影”。 在该平面上得到的图像，也称为“投影”。投影可分为正投影和斜投影。正投影即是投射线的中心线垂直于投影的平面，其投射中心线不垂直于投射平面的称为斜投影。


      透视投影(左)-正投影(右).png
    • 透视投影
      投影遵循近大远小原则进行投影成像跟适合做3D图形
    • 正投影
      投影不遵循近大远小原则1:1的比例进行投影成像
  • 投影原理

    • 物体在灯光或日光的照射下会产生影子，而且影子与物体本身的形状有一定的几何关系，这是一种自然现象，人们将这一自然现象加以科学的抽象，得出投影法则，并广泛用于艺术和工程制图之中 。

      1.人们把光源的出发点称为投影中心；

      2.投影中心与物体上各点的连线称为投影线；

      3.接受投影的面,称为投影面；

      4.过物体上各点的投影线与投影面的交点称为这些点的投影。

      5.投影分为中心投影和平行投影两大类。

      6.所有投影线都交于投影中心点的投影称为中心投影。透视图就是用这种投影方法绘制成的。

      7.所有的投影线都互相平行的投影称为平行投影。平行投影又分为斜投影和正投影两种。当投影线倾斜于投影面时，称斜投影；投影线垂直于投影面时，称正投影

  • 正投影
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  • OpenGL摄像机坐标系
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  • OpenGL 坐标系
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  • OpenGL 坐标变换全局图
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