OpenGL ——基础概念图形学原理

OpenGL基础概念

图形API简介

  • OpenGL (Open Graphics Library)是⼀一个跨编程语⾔言、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OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为⼀个个的OpenGL指令

  • OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL 三维图形 API 的⼦集，针对手机、 PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备而设计，去除了了许多不必要和性能较低的API接口。

  • 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.并不不⽀支持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、输⼊入部分和⽹络部分.

  • 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。

  • 注：OpenGL ES只是比OpenGL减少一部分子集，ES（嵌入式）应用于移动端。苹果底层渲染目前是由metal实现的

iOS中OpenGL扮演的角色

图形API能干什么

  • 游戏开发中，渲染游戏人物、游戏场景

  • 音视频开发中，对解码后的数据进行渲染

  • 地图开发中，对地图上的数据渲染

  • 在动画中，实现动画绘制

  • 处理视频时，进行添加滤镜效果

OpenGL 、 OpenGL ES 、Metal ，本质上都是利用GPU来进行高效的渲染图形图像,图形API也是我们iOS开发者唯一接近GPU的方式。

OpenGL 专业名词

状态机

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型 。

如果说下图“自动门”是个状态机，他记忆了open和close状态，知道自己处在不同状态时，下一步要干什么，是“开门”还是“关门”。 当在close状态时，你 输入 一个开门的信号，他就会切换成open状态

状态机的特点：

  • 可以记忆状态，记忆当前的状态

  • 可以接受输入，并根据当前状态作出改变，切换状态，并可以有输出

  • 状态机停止后，不再接收输入，停止工作

回到 OpenGL 状态机：

  • OpenGL 可以记录自己的状态：当前使用的颜色，是否开启了混合等情况

  • OpenGL 可以接受输入，（调用OpenGL的方法，可以看作是输入），

  • OpenGL 可以进入停止状态，不再接收输入。

渲染

将图形/图像数据转成2D空间图像的操作叫渲染

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，然后再往骨架里填充颜色，OpenGL也是如此。顶点数据 就是要画的图像的骨架，和现实世界不同的是，OpenGL里的图像是由图元构成，（什么是图元？点，线，三角形）。这些顶点数据存在何处？开发者可以选择设定函数指针，在调用绘制方法前，从内存传入，也就是先存在内存中，被称为 顶点数组 。而为了高性能，提前分配一块显存，将顶点数据传入显存，这块显存也被称为 顶点缓冲区；

  • 顶点是指我们在绘制一个图形时，各个顶点的位置数据。而这个（些）数据可以存入数组或直接缓存到GPU中。

着色器

  • 在OpenGL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。常见的着色器有：顶点着色器(VertexShader)，片元着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader)，几何着色器(GeometryShader)，曲面细分着色器(TessellationShader)。片元着色器和像素着色器是在OpenGL和DX中的不同叫法，但是直到OpenGL ES 3.0 ，依然只支持两个基础的顶点着色器和片元着色器。

  • OpenGL在处理Shader时，也是通过编译、链接生成着色器程序（glProgram），着色器程序同时包含顶点着色器和片元着色器的运算逻辑。OpenGL进行绘制时，先传入顶点数据，由顶点着色器运算，将顶点转化成图元，再通过图元装配连接线条，再进行光栅化，将图元这种矢量转成栅格化数据，最后将栅格化数据传入片元着色器进行运算。片元着色器会对栅格化数据的每一个像素进行位运算，决定每一个像素的颜色。

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中⽤用于计算顶点属性的程序。顶点着⾊器是逐顶点运 算的程序，也就是说每个顶点数据都会执行⼀次顶点着色器，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、逐顶点光照 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，就是在这里发生的。

片元着色器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。片段着⾊器是逐像素运算的程序，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

OpenGLSL (OpenGL Shading Language)

OpenGL着⾊色语⾔言(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)

光栅化Rasterization

  • 是把顶点数据转成片元(片元也就是我们评书说的像素)的过程，具有将图转成一个个栅格的作用，特点是每个元素对应帧缓冲区的每一个像素。

  • 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。

  • 是一个将模拟信号转成离散信号的过程

纹理

图位>-gnp 张一示显端动移 SE LGnepO 件文理纹 agt. LGnepO 图位>-缩压

变换矩阵

当图形图像想发生平移、缩放、旋转等变换，需要使用变换矩阵

投影矩阵

将3D坐标转成2纬屏幕坐标。

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，如果每个窗口只有一个渲染缓冲区，那么在绘制过程中屏幕进行了刷新，窗口可能显示不出完整的图像

  • 为了解决这个问题，常规的OpenGL会有两个缓冲区：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

  • 由于显示器的刷新是逐行进行的，因此为了防止交换缓冲区的时候出现两个缓冲区的内容，因此交换一般等待显示器刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中间进行交换，这个信号就是垂直同步信号，这个技术就是垂直同步

  • 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才能进行下一帧的渲染，是的帧率无法达到硬件的最高水平。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进行交换，实现充分利用硬件性能的目的

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