最近在學(xué)習(xí)一下OpenGL方面的知識(shí)派近，寫(xiě)博客記錄一下式塌。

概念

OpenGL （Open Graphics Library）是?個(gè)跨編程語(yǔ)?牲览、跨平臺(tái)的編程圖形程序接?盖奈，它將計(jì)算機(jī)的資源抽象稱(chēng)為?個(gè)個(gè)OpenGL的對(duì)象，對(duì)這些資源的操作抽象為?個(gè)個(gè)的OpenGL指令.

OpenGL 上下? ( context )

• 在應(yīng)?程序調(diào)?任何OpenGL的指令之前将塑，需要安排?先創(chuàng)建?個(gè)OpenGL的上下?脉顿。這個(gè)上下?是?個(gè)?常龐?的狀態(tài)機(jī)，保存了OpenGL中的各種狀態(tài)点寥，這也是OpenGL指令執(zhí)?的基礎(chǔ)
• OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語(yǔ)?中艾疟，都是類(lèi)似C語(yǔ)??樣的?向過(guò)程的函數(shù)，本質(zhì)上都是對(duì)OpenGL上下?這個(gè)龐?的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對(duì)象進(jìn)?操作，當(dāng)然你得?先把這個(gè)對(duì)象設(shè)置為當(dāng)前對(duì)象蔽莱。因此弟疆，通過(guò)對(duì)OpenGL指令的封裝，是可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)?封裝成為?個(gè)?向?qū)ο蟮膱D形API的
• 由于OpenGL上下?是?個(gè)巨?的狀態(tài)機(jī)盗冷，切換上下?往往會(huì)產(chǎn)?較?的開(kāi)銷(xiāo)怠苔，但是不同的繪制模塊，可能需要使?完全獨(dú)?的狀態(tài)管理仪糖。因此柑司，可以在應(yīng)?程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下?，在不同線程中使?不同的上下?锅劝，上下?之間共享紋理攒驰、緩沖區(qū)等資源。這樣的?案故爵，會(huì)?反復(fù)切換上下?玻粪，或者?量修改渲染狀態(tài)，更加合理?效

OpenGL狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)是理論上的?種機(jī)器.這個(gè)?常難以理解诬垂，簡(jiǎn)單理解為:狀態(tài)機(jī)描述了?個(gè)對(duì)象在其?命周期內(nèi)所經(jīng)歷的各種狀態(tài)劲室，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，發(fā)?轉(zhuǎn)變的動(dòng)因结窘，條件及轉(zhuǎn)變中所執(zhí)?的活動(dòng)很洋。或者說(shuō)晦鞋，狀態(tài)機(jī)是?種?為蹲缠，說(shuō)明對(duì)象在其?命周期中響應(yīng)事件所經(jīng)歷的狀態(tài)序列以及對(duì)那些狀態(tài)事件的響應(yīng)。因此具有以下特點(diǎn)：

• 有記憶功能悠垛，能記住其當(dāng)前的狀態(tài)
• 可以接收輸?线定，根據(jù)輸?的內(nèi)容和??的原先狀態(tài)，修改??當(dāng)前狀
  態(tài)确买，并且可以有對(duì)應(yīng)輸出
• 當(dāng)進(jìn)?特殊狀態(tài)（停機(jī)狀態(tài)）的時(shí)候斤讥，不再接收輸?，停??作

渲染

渲染:將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2D空間圖像操作叫做渲染(Rendering).

頂點(diǎn)數(shù)組( VertexArray ) 和 頂點(diǎn)緩沖區(qū)（ VertexBuffer )

屏幕中的所有圖形/圖像湾趾，都是由這三種圖元組合而成的

點(diǎn)
線
三角形

頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

頂點(diǎn)數(shù)組與頂點(diǎn)緩沖區(qū)的區(qū)別在于頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式不同

• 存儲(chǔ)在內(nèi)存中芭商，即 【頂點(diǎn)數(shù)組】
• 存儲(chǔ)在GPU提前分配的顯存中，即 【頂點(diǎn)緩沖區(qū)】

管線

可以理解為流水線搀缠，該流水線有一個(gè)固定順序的操作铛楣，需要按著這個(gè)順序一個(gè)個(gè)執(zhí)行

固定管線/存儲(chǔ)著色器

• 一個(gè)已經(jīng)封裝好的Shader程序，開(kāi)發(fā)者使用時(shí)艺普，只需要傳入相應(yīng)參數(shù)簸州，即可快速完成渲染鉴竭，類(lèi)似蘋(píng)果系統(tǒng)中封裝好的API
• 當(dāng)固定管線無(wú)法完成每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)，需要將與業(yè)務(wù)相關(guān)的部分變成可編程岸浑，用戶(hù)根據(jù)需要自定義管線來(lái)完成業(yè)務(wù)
• 目前OpenGL中可編程的僅有兩個(gè)程序：頂點(diǎn)著色器搏存、片元著色器

頂點(diǎn)著?器 VertexShader

• ?般?來(lái)處理圖形每個(gè)頂點(diǎn)變換(旋轉(zhuǎn)/平移/投影等)
• 頂點(diǎn)著?器是OpenGL中?于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序。頂點(diǎn)著?器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序矢洲，也就是說(shuō)每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)執(zhí)??次頂點(diǎn)著?器璧眠，當(dāng)然這是并?的，并且頂點(diǎn)著?器運(yùn)算過(guò)程中?法訪問(wèn)其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)
• ?般來(lái)說(shuō)典型的需要計(jì)算的頂點(diǎn)屬性主要包括頂點(diǎn)坐標(biāo)變換读虏、逐頂點(diǎn)光照運(yùn)算等等责静。頂點(diǎn)坐標(biāo)由?身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到歸?化坐標(biāo)系的運(yùn)算，就是在這?發(fā)?的掘譬。

?元著?器程序 FragmentShader

• ?般?來(lái)處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏?計(jì)算和填充
• ?段著?器是OpenGL中?于計(jì)算?段（像素）顏?的程序泰演。?段著?器是逐像素運(yùn)算的程序，也就是說(shuō)每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)??次?段著?器葱轩，當(dāng)然也是并?的

GLSL (OpenGL Shading Language)

OpenGL著?語(yǔ)?（OpenGL Shading Language）是?來(lái)在OpenGL中著?編程的語(yǔ)?，也即開(kāi)發(fā)?員寫(xiě)的短?的?定義程序藐握，他們是在圖形卡的GPU （Graphic Processor Unit圖形處理單元）上執(zhí)?的靴拱，代替了固定的渲染管線的?部分，使渲染管線中不同層次具有可編程性猾普。?如：視圖轉(zhuǎn)換袜炕、投影轉(zhuǎn)換等。GLSL（GL Shading Language）的著?器代碼分成2個(gè)部分：Vertex Shader（頂點(diǎn)著?器）和Fragment（?元著?器）

光柵化Rasterization

• 是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為?元的過(guò)程初家，具有將圖轉(zhuǎn)化為?個(gè)個(gè)柵格組成的圖象的作?偎窘，特點(diǎn)是每個(gè)元素對(duì)應(yīng)幀緩沖區(qū)中的?像素。
• 光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為?元的過(guò)程溜在。?元中的每?個(gè)元素對(duì)應(yīng)于幀緩沖區(qū)中的?個(gè)像素陌知。
• 光柵化其實(shí)是?種將?何圖元變?yōu)?維圖像的過(guò)程。該過(guò)程包含了兩部分的?作掖肋。第?部分?作：決定窗?坐標(biāo)中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?仆葡；第?部分?作：分配?個(gè)顏?值和?個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域。光柵化過(guò)程產(chǎn)?的是?元
• 把物體的數(shù)學(xué)描述以及與物體相關(guān)的顏?信息轉(zhuǎn)換為屏幕上?于對(duì)應(yīng)位置的像素及?于填充像素的顏?志笼，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光柵化沿盅，這是?個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過(guò)程

紋理

紋理可以理解為圖?.

?家在渲染圖形時(shí)需要在其編碼填充圖?,為了使得場(chǎng)景更加逼真.?這?使?的圖?,就是常說(shuō)的紋理.但是在OpenGL我們更加習(xí)慣叫紋理,?不是圖?.

混合（Blending)

如果像素依然沒(méi)有被剔除，那么像素的顏?將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏?附著上的顏?進(jìn)?混合纫溃，混合的算法可以通過(guò)OpenGL的函數(shù)進(jìn)?指定腰涧。但是OpenGL提供的混合算法是有限的，如果需要更加復(fù)雜的混合算法紊浩，?般可以通過(guò)像素著?器進(jìn)?實(shí)現(xiàn)(性能會(huì)?原?的混合算法差?些).

變換矩陣 Transformation

用于圖形的平移窖铡、旋轉(zhuǎn)疗锐、縮放時(shí)使用

投影矩陣 Projection

將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為2D屏幕坐標(biāo)時(shí)使用

渲染上屏/交換緩沖區(qū) SwapBuffer

• 渲染緩沖區(qū)：可以理解為是系統(tǒng)的資源，例如窗口
• 渲染上屏：將圖像直接渲染到窗口對(duì)應(yīng)的渲染緩沖區(qū)

總結(jié)：GPU 圖形渲染流水線的具體實(shí)現(xiàn)可分為六個(gè)階段万伤，如下圖所示窒悔。

• 頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）
• 形狀裝配（Shape Assembly），又稱(chēng) 圖元裝配
• 幾何著色器（Geometry Shader）
• 光柵化（Rasterization）
• 片段著色器（Fragment Shader）
• 測(cè)試與混合（Tests and Blending）

image

第一階段敌买，頂點(diǎn)著色器简珠。該階段的輸入是 頂點(diǎn)數(shù)據(jù)（Vertex Data） 數(shù)據(jù)，比如以數(shù)組的形式傳遞 3 個(gè) 3D 坐標(biāo)用來(lái)表示一個(gè)三角形虹钮。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)是一系列頂點(diǎn)的集合聋庵。頂點(diǎn)著色器主要的目的是把 3D 坐標(biāo)轉(zhuǎn)為另一種 3D 坐標(biāo)，同時(shí)頂點(diǎn)著色器可以對(duì)頂點(diǎn)屬性進(jìn)行一些基本處理芙粱。

第二階段祭玉，形狀（圖元）裝配。該階段將頂點(diǎn)著色器輸出的所有頂點(diǎn)作為輸入春畔，并將所有的點(diǎn)裝配成指定圖元的形狀脱货。圖中則是一個(gè)三角形。圖元（Primitive） 用于表示如何渲染頂點(diǎn)數(shù)據(jù)律姨，如：點(diǎn)振峻、線、三角形择份。

第三階段扣孟，幾何著色器。該階段把圖元形式的一系列頂點(diǎn)的集合作為輸入荣赶，它可以通過(guò)產(chǎn)生新頂點(diǎn)構(gòu)造出新的（或是其它的）圖元來(lái)生成其他形狀凤价。例子中，它生成了另一個(gè)三角形拔创。

第四階段利诺，光柵化。該階段會(huì)把圖元映射為最終屏幕上相應(yīng)的像素伏蚊，生成片段立轧。片段（Fragment） 是渲染一個(gè)像素所需要的所有數(shù)據(jù)。

第五階段躏吊，片段著色器氛改。該階段首先會(huì)對(duì)輸入的片段進(jìn)行 裁切（Clipping）。裁切會(huì)丟棄超出視圖以外的所有像素比伏，用來(lái)提升執(zhí)行效率胜卤。

第六階段，測(cè)試與混合赁项。該階段會(huì)檢測(cè)片段的對(duì)應(yīng)的深度值（z 坐標(biāo)）葛躏，判斷這個(gè)像素位于其它物體的前面還是后面澈段，決定是否應(yīng)該丟棄。此外舰攒，該階段還會(huì)檢查 alpha 值（ alpha 值定義了一個(gè)物體的透明度）败富，從而對(duì)物體進(jìn)行混合。因此摩窃，即使在片段著色器中計(jì)算出來(lái)了一個(gè)像素輸出的顏色兽叮，在渲染多個(gè)三角形的時(shí)候最后的像素顏色也可能完全不同。