OpenGL/OpenGL ES (一) —— 專業(yè)名詞快速了解
OpenGL/OpenGL ES (二) —— 渲染架構(gòu)、圖元职恳、著色器、投影
OpenGL/OpenGL ES (三) —— 繪制甜甜圈
OpenGL/OpenGL ES (四) —— 紋理
OpenGL/OpenGL ES (五) —— 紋理翻轉(zhuǎn)策略
OpenGL/OpenGL ES (六) —— 立方體旋轉(zhuǎn)
OpenGL/OpenGL ES (七) —— 初探
OpenGL/OpenGL ES (八) —— 如何加載一張圖片
OpenGL/OpenGL ES (九) —— 光照

前言

OpenGL ES 是OpenGL三維圖形API的子集,方便集成到各個(gè)平臺(tái)奢驯。OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)适掰、跨語(yǔ)言的應(yīng)用程序編程API估蹄。它用于繪制從簡(jiǎn)單圖形到復(fù)雜的三維景象塑煎。PC端的圖形圖像處理Kit有DirectX，這個(gè)需要開發(fā)者自己安裝的臭蚁，而GDI和GUI是可以直接調(diào)用的最铁。

相關(guān)介紹

• OpenGL ES 針對(duì)那些對(duì)內(nèi)存占用要求比較高的情景使用的，因?yàn)樗饤壛薵lBegin/glEnd垮兑，四邊形（GL_QUADS）冷尉、多邊形（GL_POLYGONS）等復(fù)雜圖元等許多非絕對(duì)必要的特性。針對(duì)于手機(jī)系枪、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)雀哨。

• 該API由Khronos集團(tuán)定義推廣，Khronos是一個(gè)圖形軟硬件行業(yè)協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)主要關(guān)注圖形和多媒體方面的開放標(biāo)準(zhǔn)雾棺。

• OpenGL ES現(xiàn)在主要有兩個(gè)版本膊夹，OpenGL ES 1.x 針對(duì)固定管線硬件的，OpenGL ES 2.x 針對(duì)可編程管線硬件垢村。

• OpenGL ES 1.0 是以 OpenGL 1.3 規(guī)范為基礎(chǔ)的割疾，OpenGL ES 1.1 是以 OpenGL 1.5 規(guī)范為基礎(chǔ)的，它們分別又支持 common和 common lite兩種profile嘉栓。lite profile只支持定點(diǎn)實(shí)數(shù)，而common profile既支持定點(diǎn)數(shù)又支持浮點(diǎn)數(shù)拓诸。

• OpenGL ES 2.0 則是參照 OpenGL 2.0 規(guī)范定義的侵佃，common profile發(fā)布于2005-8，引入了對(duì)可編程管線的支持奠支。

• OpenGL ES 還有一個(gè)safety-critical profile馋辈。

OpenGL下專業(yè)名詞解析

OpenGL上下文 context

• 在應(yīng)用程序調(diào)用任何OpenGL的指令之前，需要先創(chuàng)建一個(gè)OpenGL的上下文context倍谜。這個(gè)上下文是一個(gè)非常龐大的狀態(tài)機(jī)迈螟，保存了OpenGL中的各種狀態(tài)，這也是OpenGL指令執(zhí)行的基礎(chǔ)

• OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語(yǔ)言中尔崔，都是類似C語(yǔ)言一樣的面向過程的函數(shù)答毫，本質(zhì)上都是對(duì)OpenGL上下文這個(gè)龐大的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對(duì)象進(jìn)行操作，當(dāng)然你得首先把這個(gè)對(duì)象設(shè)置為當(dāng)前對(duì)象季春。因此洗搂，通過對(duì)OpenGL指令的封裝，是可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)用封裝成為一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形API

*由于OpenGL上下文是一個(gè)巨大的狀態(tài)機(jī)载弄，切換上下文往往會(huì)產(chǎn)生較大的開銷耘拇，但是不同的繪制模塊，可能需要使用完全獨(dú)立的狀態(tài)管理宇攻。因此惫叛，可以在應(yīng)用程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下文，在不同線程中使用不同的上下文逞刷，上下文之間共享紋理嘉涌、緩沖區(qū)等資源。這樣的方案亲桥，會(huì)比反復(fù)切換上下文洛心，或者大量修改渲染狀態(tài)更加合理高效

OpenGL 狀態(tài)機(jī)

• 狀態(tài)機(jī)理論上是一種機(jī)器，它描述了一個(gè)對(duì)象在其生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的各種狀態(tài)题篷，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變词身、發(fā)送轉(zhuǎn)變的動(dòng)因、條件以及轉(zhuǎn)變中所執(zhí)行的活動(dòng)番枚》ㄑ希或者說损敷，狀態(tài)機(jī)是一種行為，即對(duì)象在其生命周期中響應(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)深啤。具有一下特點(diǎn)：

1拗馒、有記憶功能，能夠記住當(dāng)前的狀態(tài)
2溯街、可以接收輸入诱桂，根據(jù)輸入的內(nèi)容和自己的原先狀態(tài)，修改自己當(dāng)前狀態(tài)呈昔，并且可以有對(duì)應(yīng)輸出
3挥等、當(dāng)進(jìn)入特殊狀態(tài)（停機(jī)狀態(tài)）的時(shí)候，便不再接收輸入堤尾，即停止工作

OpenGL中肝劲，狀態(tài)機(jī)可以這么理解

1、OpenGL可以記錄自己的狀態(tài)（如當(dāng)前所使用的顏色郭宝、是否開啟了混合功能等）
2辞槐、OpenGL可以接收輸入（調(diào)用OpenGL函數(shù)時(shí)，可以理解成OpenGL在接收輸入）粘室，如調(diào)用glColor3f榄檬，即OpenGL接收到這個(gè)輸入后，會(huì)修改自己的“當(dāng)前顏色”這個(gè)狀態(tài)
3育特、OpenGL可以進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)丙号，不再接收輸入。在程序退出前缰冤，OpenGL總會(huì)先停止工作

渲染

• 將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D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

• 頂點(diǎn)： 指的是在繪制一個(gè)圖形時(shí)犬缨，它的頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，而這個(gè)數(shù)據(jù)可以直接存粗在數(shù)組中或者將其緩存到GPU內(nèi)存中

• OpenGL中的圖像都是由圖元組成棉浸，在OpenGL ES中怀薛，有3種類型的圖元：點(diǎn)、線迷郑、三角形枝恋。開發(fā)者可以選擇設(shè)定函數(shù)指針，在調(diào)用繪制方法的時(shí)候嗡害，直接由內(nèi)存?zhèn)魅腠旤c(diǎn)數(shù)據(jù)焚碌，也就是說這部分?jǐn)?shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中的，被稱為頂點(diǎn)數(shù)組霸妹。而性能更高的做法是提前分配一塊顯存十电，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳入到顯存當(dāng)中，這部分的顯存，就被稱為頂點(diǎn)緩沖區(qū)

管線

• 管線：可以理解為渲染流水線鹃骂。實(shí)際上指一堆原始圖形數(shù)據(jù)途徑一個(gè)輸送管道台盯，期間經(jīng)過各種變化處理最終出現(xiàn)在屏幕的過程。

• 在OpenGL下渲染圖形畏线，就會(huì)經(jīng)歷一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)静盅。而這樣的操作可以理解為管線∏夼梗可以想象成流水線蒿叠，每個(gè)任務(wù)類似流水線一樣執(zhí)行，任務(wù)之間有先后順序杯矩。之所以稱之為管線是因?yàn)轱@卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候是按照一個(gè)固定的順序來的栈虚，而且嚴(yán)格按照這個(gè)順序。就像水從一根管子的一端留到另一端史隆，這個(gè)順序不能打破。

• 固定管線：簡(jiǎn)單理解為渲染圖像這個(gè)過程曼验，我們只能通過調(diào)用GLShaderManager類的固定管線效果實(shí)現(xiàn)一系列的著色器處理泌射。

• 可編程管線：簡(jiǎn)單理解為在處理圖形的過程，我們能夠使用自定義頂點(diǎn)著色器和片元著色器的過程鬓照。由于OpenGL的使用場(chǎng)景非常豐富熔酷，固定管線或者存儲(chǔ)著色器無法完成每一個(gè)任務(wù)，這時(shí)將相關(guān)部分開放成可編程

著色器程序Shader

• 將固定渲染管線架構(gòu)變成為可編程渲染管線豺裆。因此拒秘，OpenGL在實(shí)際調(diào)用繪制函數(shù)之前，還需要指定一個(gè)由shader編譯成的著色器程序臭猜。常見的著色器主要有頂點(diǎn)著色器（VertexShader）躺酒、片段/片元著色器（FragmentShader）/像素著色器（PixelShader）、幾何著色器（GeometryShader）蔑歌、曲面細(xì)分著色器（TessellationShader）羹应。知道OpenGL ES3.0，依然只支持了頂點(diǎn)著色器和片段著色器這兩個(gè)最基礎(chǔ)的著色器

• OpenGL在處理shader時(shí)次屠，和其他編譯器一樣园匹。通過編譯、鏈接等步驟劫灶，生成了著色器程序（glProgram）裸违，著色器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著色器和片元著色器的運(yùn)算邏輯。在OpenGL進(jìn)行繪制的時(shí)候本昏，首先由頂點(diǎn)著色器對(duì)傳入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算供汛。在通過圖元裝配，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元。然后進(jìn)行光柵化紊馏，將圖元這種矢量圖形料饥，轉(zhuǎn)換為柵格化數(shù)據(jù)。最后朱监，將柵格化數(shù)據(jù)傳入片元著色器中進(jìn)行運(yùn)算岸啡。片元著色器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中的每一個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)算，并決定像素的顏色赫编。

頂點(diǎn)著色器VertexShader

• 一般用來處理圖形每個(gè)頂點(diǎn)變換（旋轉(zhuǎn)/平移/投影等）

• 頂點(diǎn)著色器時(shí)OpenGL中用于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序巡蘸。頂點(diǎn)著色器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序，也就是說每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)執(zhí)行一次擂送。當(dāng)然這是并行悦荒，并且頂點(diǎn)著色器運(yùn)算過程中無法訪問其他頂點(diǎn)數(shù)據(jù)

• 一般來說典型的需要計(jì)算的頂點(diǎn)屬性主要包括頂點(diǎn)坐標(biāo)變換、逐頂點(diǎn)光照運(yùn)算等等嘹吨。頂點(diǎn)坐標(biāo)由自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到規(guī)范化坐標(biāo)系的運(yùn)算搬味，就是在這里發(fā)生的

片元著色器FragmentShader

• 一般用來處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏色計(jì)算和填充

• 片元著色器是OpenGL中用于計(jì)算片段（像素）顏色的程序，片元著色器是逐像素運(yùn)算的程序蟀拷，也就說每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)行一次片元著色器碰纬，當(dāng)然也是并行的

GLSL （OpenGL Shading Language）

• OpenGL著色語(yǔ)言是用來在OpenGL中著色編碼的語(yǔ)言，也就是開發(fā)人員寫的短小的自定義程序问芬，他們是在GPU（Graphic Processor Unit圖形處理單元）上執(zhí)行的悦析，代替了固定的渲染管線的一部分，使渲染管線中不同層次具有可編程性此衅。
• GLSL的著色器代碼分成2個(gè)部分： VertexShader（頂點(diǎn)著色器） 和 Fragment Shader（片元著色器）

光柵化 Rasterization

• 光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過程强戴。具有將圖轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)柵格組成的圖像的作用。片元中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于幀緩沖區(qū)的一個(gè)像素

• 光柵化其實(shí)是一種將幾何圖元變?yōu)槎S圖像的過程挡鞍。該過程包含了兩部分的工作骑歹。第一部分工作：決定窗口坐標(biāo)中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占用；第二部分工作：分配一個(gè)顏色值和一個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域匕累。光柵化過程產(chǎn)生的是片元

• 把物體的數(shù)學(xué)描述以及與物體相關(guān)的顏色信息轉(zhuǎn)換為屏幕上用于對(duì)應(yīng)位置的像素以及用于填充像素的顏色陵刹，這個(gè)過程稱為光柵化，這是一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過程

紋理

• 紋理可以理解為圖片欢嘿。在渲染圖形時(shí)需要在其編碼填充圖片衰琐，為了使得場(chǎng)景更加逼真，而這里使用的圖片炼蹦，就是常說的紋理羡宙。在OpenGL中，更加習(xí)慣叫紋理掐隐，而不是圖片狗热。

混合 Blending

• 在測(cè)試階段之后钞馁，如果像素依然沒有被剔除，那么像素的顏色將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏色附著上的顏色進(jìn)行混合匿刮∩耍混合的算法可以通過OpenGL的函數(shù)進(jìn)行指定。但是OpenGL提供的混合算法有限的熟丸，如果需要更加復(fù)雜的混合算法训措，一般可以通過像素著色器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)比原聲的混合算法差一些

• 混合就是把兩種顏色混在一起光羞。具體一點(diǎn)绩鸣，就是把某一像素位置原來的顏色和將要畫上去的顏色，通過某種方式混在一起纱兑，從而達(dá)到特殊的效果

變換矩陣 Transformation

• 圖形想發(fā)生平移呀闻、縮放、旋轉(zhuǎn)變換潜慎，就需要使用變換矩陣

投影矩陣 Projection

• 用于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維屏幕坐標(biāo)捡多，實(shí)際線條也將在二維坐標(biāo)下進(jìn)行繪制

渲染上屏/交換緩沖區(qū) SwapBuffer

• 渲染緩沖區(qū)一般映射的是系統(tǒng)的資源，比如窗口铐炫。如果將圖像直接渲染到窗口對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)局服，則可以將圖像顯示到屏幕上。但是驳遵，值得注意的是，如果每個(gè)窗口只有一個(gè)緩沖區(qū)山涡，那么在繪制過程中堤结，屏幕進(jìn)行了刷新，窗口可能顯示出不完整的圖像鸭丛。

• 常規(guī)的OpenGL程序至少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)竞穷。顯示在屏幕上的稱為屏幕緩沖區(qū)，沒有顯示的稱為離屏緩沖區(qū)鳞溉。在一個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后瘾带，通過將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上顯示熟菲。

• 因?yàn)轱@示器的刷新一般是逐行進(jìn)行的看政，因此為了防止交換緩沖區(qū)的時(shí)候，屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個(gè)不同的幀抄罕，因此交換一般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)允蚣，在顯示器兩次刷新的間隔中進(jìn)行交換，這個(gè)信號(hào)就被稱為垂直同步信號(hào)呆贿，這個(gè)技術(shù)被稱為垂直同步

• 使用了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術(shù)之后嚷兔，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進(jìn)行下一幀的渲染森渐，使得幀率無法完全達(dá)到硬件允許的最高水平，為了解決這個(gè)問題冒晰，引入了三緩沖區(qū)技術(shù)同衣，在等待垂直同步時(shí)，來回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)壶运，而垂直同步發(fā)生時(shí)耐齐，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)充分利用硬件性能的目的