使用完CocosCreator做了一個(gè)跑酷類的簡單游戲之后翠订，對圖像渲染之類的比較感興趣傲绣，之前學(xué)習(xí)過CoreAnimation之后顷链，把iOS里面的過程了解了一下煞抬，但是并沒有深入了解到GPU的內(nèi)容残拐。OpenGL ES就是查漏補(bǔ)缺吧错沃。

OpenGL基礎(chǔ)

CPU & GPU

流程圖

CPU可以完成每秒十億次的運(yùn)算排截，但是它只能夠每秒讀寫內(nèi)存兩億次，所以要在每個(gè)數(shù)據(jù)上執(zhí)行5個(gè)或者更多的運(yùn)算，不然的話處理器的性能會處于次優(yōu)狀態(tài)矾克，這種狀態(tài)叫做“數(shù)據(jù)饑餓”州袒。同樣，GPU上更明顯畦徘，GPU每秒執(zhí)行數(shù)十億次但是每秒只能訪問內(nèi)存2億次蒸播。所以GPU總是受限于內(nèi)存的訪問性能上宿崭，并且通常需要在每塊數(shù)據(jù)上執(zhí)行10~30次運(yùn)算才不會影響整體的圖形輸出厨疙。

OpenGL流程

流程圖

著色器是獨(dú)立運(yùn)行在GPU上的程序牙肝。

該流程圖展示說了OpenGL運(yùn)行的過程配椭，在我們定義了定點(diǎn)數(shù)據(jù)之后瘾境，首選是定點(diǎn)著色器處理定點(diǎn)數(shù)據(jù)犬绒，我們需要告訴OpenGL如果處理定點(diǎn)慷暂。圖元，是告訴OpenGL渲染怎樣的數(shù)據(jù)，這里渲染的是三角形谜慌。幾何著色器生成輔助的幾何線段。光柵化是將幾何形狀轉(zhuǎn)換成像素莺奔，片段著色器決定最后每個(gè)像素的顏色（片段著色器包含3D場景的數(shù)據(jù)欣范，比如光照、陰影、光的顏色等等）熙卡，混合是混合不同層次的片段杖刷，因?yàn)樵谶@個(gè)階段要混合alpha值，所以就算片段著色器確定了最終的顏色驳癌，但是混合之后也可能不同。

著色器

OpenGL ES在ios上的使用過程封裝了著色器的使用過程役听，不需要我們自己編譯和鏈接著色器颓鲜。

紋理

2D紋理的坐標(biāo)是[0,1]，將定點(diǎn)的坐標(biāo)和紋理的坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的綁定之后典予，片段著色器會對紋理進(jìn)行插值

我的理解甜滨，插值就是將紋理和頂點(diǎn)組成的幾何圖形之間進(jìn)行映射，從而判斷每個(gè)像素的顏色瘤袖。

MipMap（多級漸遠(yuǎn)紋理）是用來解決遠(yuǎn)處同一個(gè)物體的紋理問題衣摩，因?yàn)槿绻沁h(yuǎn)處的小的相同物體，如果使用大的貼圖會有浪費(fèi)內(nèi)存的問題捂敌，所以需要傳入小的貼圖艾扮。MipMap像下面這個(gè)樣子（后一個(gè)比前一個(gè)小1/4，超過一定的閾值就會使用相應(yīng)的圖片）：

MipMap

CPU & GPU

CPU可以完成每秒十億次的運(yùn)算占婉，但是它只能夠每秒讀寫內(nèi)存兩億次泡嘴，所以要在每個(gè)數(shù)據(jù)上執(zhí)行5個(gè)或者更多的運(yùn)算，不然的話處理器的性能會處于次優(yōu)狀態(tài)逆济，這種狀態(tài)叫做“數(shù)據(jù)饑餓”酌予。同樣，GPU上更明顯奖慌，GPU每秒執(zhí)行數(shù)十億次但是每秒只能訪問內(nèi)存2億次抛虫。所以GPU總是受限于內(nèi)存的訪問性能上，并且通常需要在每塊數(shù)據(jù)上執(zhí)行10~30次運(yùn)算才不會影響整體的圖形輸出简僧。

緩存(buffer)

GPU和CPU都有自己獨(dú)占的內(nèi)存區(qū)域建椰，OpenGL ES為兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域間的數(shù)據(jù)交換定義了緩存（buffer）的概念。緩存是指圖形處理器能夠控制和管理的連續(xù)的RAM涎劈。幾乎所有程序提供給GPU的數(shù)據(jù)都應(yīng)該放入緩存中广凸。為緩存提供數(shù)據(jù)有如下7個(gè)步驟：

1. Generate-> glGenBuffers()--請求OpenGL ES生成graphics processor控制的唯一標(biāo)志。
2. Bind-> glBindBuffer()--告訴OpenGL ES使用緩存處理接下來的運(yùn)算蛛枚。
3. Buffer Data-> glBufferData() or glBufferSubData()--告訴OpenGL ES為當(dāng)前綁定的buffer分配并初始化足夠多的連續(xù)內(nèi)存（通常是從CPU控制的內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)到GPU控制的內(nèi)存）谅海。
4. Eable or Disable -> glEnableVertexAttribArray() or glDisableVertexAttribArray()--告訴OpenGL ES在接下來的渲染中是否使用緩存中的數(shù)據(jù)。
5. Set Pointer -> glVertexAttribPointer()--告訴OpenGL ES buffer里的數(shù)據(jù)類型和訪問buffer數(shù)據(jù)的任何內(nèi)存偏移量蹦浦。
6. Draw -> glDrawArrays() or glDrawElements()--告訴OpenGL ES使用當(dāng)前綁定的和可以使用的緩存來渲染部分或者全部場景扭吁。
7. Delete -> glDeleteBuffers()--告訴OpenGL ES去刪除之前生成的緩存和釋放相關(guān)聯(lián)的資源。

幀緩存(frame buffer)

就像GPU提供數(shù)據(jù)的緩存一樣，接收渲染結(jié)果的緩沖區(qū)叫做幀緩存侥袜◎蚬睿可以同時(shí)存在很多的幀緩存，并且可以通過OpenGL ES讓GPU把渲染結(jié)果存儲到任意的幀緩存中枫吧。有front frame buffer和back frame buffer的概念浦旱，front frame buffer控制屏幕上顯示的像素顏色和布局，所以一般不會直接渲染到front frame buffer中九杂，這樣的話就會讓用戶看到?jīng)]有渲染完成的圖像颁湖。相反程序會把渲染結(jié)果保存到包含back frame buffer的其他frame buffer中，當(dāng)back frame buffer渲染成功之后就會立即與front frame buffer進(jìn)行交換例隆。

OpenGL ES context

Context 封裝了配置OpenGL ES保存在特定平臺的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息甥捺。因?yàn)镺penGL ES是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，這意味著在一個(gè)程序中配置之后就會一直保留這個(gè)值镀层，直到程序修改了這個(gè)值镰禾。上下文信息可能被保存在CPU所控制的內(nèi)存中，也可能在GPU所控制的內(nèi)存中唱逢。OpenGL ES Context的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)依賴于不同的嵌入式系統(tǒng)和GPU硬件吴侦，所以O(shè)penGL ES提供了標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言函數(shù)來與Context交互。OpenGL ES Context會跟蹤用于渲染的幀緩存惶我，一會跟蹤用于幾何數(shù)據(jù)妈倔、顏色等的緩存。

Core Animation與OpenGL ES

iosOpenGl

iOS操作系統(tǒng)不支持直接訪問front frame buffer和back frame buffer绸贡，有操作系統(tǒng)來操作盯蝴，這樣的話方便隨時(shí)使用Core Animation Compositor來控制顯示的最終外觀。

這個(gè)也很好理解听怕，因?yàn)閏ore animation是一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程捧挺，不僅僅要生成我們自己應(yīng)用里面的layer，還要控制app之間的切換尿瞭，所以這是個(gè)系統(tǒng)的工作闽烙，沒必要暴露出來。

layer保存了所有繪制操作的結(jié)果声搁。比如黑竞，iOS提供了對象有效的在layer上繪制視頻，在layer上繪制淡入淡出的圖片疏旨。layer content也可以用Core Graphics來繪制很魂，也可以用OpenGL ES直接繪制。不過Core Animation Compositor使用的是OpenGL ES來管理GPU檐涝，混合圖層和賈環(huán)frame buffer的遏匆。所以一切通過Core Animation的繪制最終都會涉及OpenGL ES法挨。

GLKit

ios封裝了OpenGL ES，我們可以直接使用GLKit來使用OpenGL ES幅聘。分別使用GLKView和GLKViewController就可以直接操作OpenGL ES了凡纳。

以下是個(gè)人理解：GLKBaseEffect封裝了片段著色器程序，所以只要向該對象傳入紋理或者顏色帝蒿，就可以直接渲染出來荐糜。

OpenGL ES使用

OpenGL ES的使用過程就是操作Buffer的過程（見buffer一節(jié)的內(nèi)容）。下面具體講一下每個(gè)函數(shù)：

• glGenBuffers(1,&name)：這個(gè)方法是用來生成緩存葛超，數(shù)量是一個(gè)狞尔，傳入首地址標(biāo)識。
• glBindBuffer(GL_ ARRAY_BUFFER, name): 聲明是一個(gè)頂點(diǎn)數(shù)組類型的buffer巩掺，使用對應(yīng)name的緩存來處理接下來的運(yùn)算。
• glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,size,data,usage): 第一個(gè)是類型页畦，第二個(gè)是需要申請的內(nèi)存大小胖替，第三個(gè)是需要拷貝到GPU內(nèi)存的數(shù)據(jù)，第四個(gè)是讀取頻率的標(biāo)識豫缨，用于內(nèi)存優(yōu)化
• glEnableVertexAttribArray(1)独令，默認(rèn)就禁止的，這里需要開啟一下好芭。
• glVertexAttribPointer(index,size,GL_FLOAT,GL_FALSE,stribe,pointer)燃箭。該函數(shù)告訴OpenGL怎樣處理傳入的頂點(diǎn)。因?yàn)樵陧旤c(diǎn)數(shù)組中舍败，一般還要保存紋理的UV數(shù)據(jù)招狸，所以需要指定類型（位置、顏色邻薯、紋理之類的）裙戏、大小、步幅以及偏移量厕诡，這樣的話就可以合理使用頂點(diǎn)累榜。
• 下面就是繪制頂點(diǎn)緩存和刪除頂點(diǎn)緩存了。

紋理

如果直接使用GLKit提供的方法來初始化紋理的話是非常簡單點(diǎn)的灵嫌，首先根據(jù)CGImage對象生成一個(gè)GLKTextureInfo對象壹罚，然后將該對象的Target和name賦值給baseEffect對象的對應(yīng)屬性就可以了。在準(zhǔn)備渲染的時(shí)候配置定點(diǎn)的讀取規(guī)則就可以了寿羞。
如果不使用GLKit的話猖凛，需要自己手動(dòng)生成、綁定和配置紋理稠曼，與生成緩存類似形病。

• glGenTexture(1,&id)生成紋理客年。
• glBindTexture(GL_ TEXTURE_2D, id),綁定紋理。
• glTexImage2D(GL_ TEXTURE,0,GL_RGBA,width,height,0,GL_ RGBA,GL_ UNSIGNED_BYTE, [imageData bytes]),將圖片數(shù)據(jù)保存成紋理
• glTextParameteri(GL_ TEXTURE_2D, GL _ TEXTURE_ MIN_ FILTER,GL_LINEAR)配置紋理的顯示漠吻。只要是紋理的大小大于或小于圖形大小量瓜，紋理的布局方式。GL_LINEAR表示的是取顏色的方式是取周圍的混合色途乃，這樣的紋理是模糊和漸變的绍傲。

透明度、混合和多重紋理

當(dāng)紋理計(jì)算出一個(gè)完全不透明的fragment color的時(shí)候耍共，會直接替換調(diào)frame buffer中的color render buffer中對應(yīng)的pixel color烫饼。如果存在不透明的話就需要混合。通過glEnable(GL_BLEND)來開啟混合试读。glBlendFunc(sourceFactor,destinationFactor)來設(shè)置混合函數(shù)杠纵。在每幀渲染的過程中需要替換baseEffect中的Target和name，然后[baseeffect prepareToDraw]會同步狀態(tài)钩骇，這樣的話就會繪制兩個(gè)紋理了比藻。
GLKit提供了多重紋理的渲染，可以直接給baseEffect指定兩個(gè)紋理倘屹，并且指定混合模式银亲，就可以直接混合多種紋理。這也間接可以看出CoreAnimation的層設(shè)計(jì)也是以此為基礎(chǔ)的纽匙。

燈光

GPU首先為每個(gè)三角形的每個(gè)定點(diǎn)執(zhí)行光線計(jì)算务蝠，然后把計(jì)算的結(jié)果插補(bǔ)在頂點(diǎn)之間來修改每個(gè)渲染的片元的最終顏色。因此模擬燈光的質(zhì)量和光滑度要取決于組成每個(gè)3D物體的頂點(diǎn)的數(shù)量烛缔。光線的計(jì)算是以三角形為單位的馏段，光線的向量與三角面的法向量的夾角決定了采光量的多少。所以在使用燈光的時(shí)候需要在定點(diǎn)中傳入法向量的值力穗。
GLKit使用燈光的話就是直接在baseEffect對象里面直接使用light0屬性進(jìn)行設(shè)置毅弧。設(shè)置了這個(gè)屬性之后，就算沒有打開当窗，顏色屬性也會失效够坐，而是變成燈光的顏色屬性，所以如果還要渲染其他有顏色的物體的時(shí)候崖面，需要新建baseEffect實(shí)例元咙。

將baseEffect當(dāng)做片段著色器，并且OpenGL ES Context是一個(gè)狀態(tài)機(jī)巫员，所以完全可以將前幾個(gè)定點(diǎn)繪制成黃色庶香，然后改變baseEffect的顏色填充屬性為綠色，再調(diào)用繪制简识，就會將剩下的定點(diǎn)繪制成綠色赶掖。

深度測試

深度測試是OpenGL自動(dòng)完成的感猛，我們只需要告訴OpenGL保存測試深度的大小，一般是16位和24位大小奢赂。然后調(diào)用深度函數(shù)來決定通過的門檻陪白。一般使用默認(rèn)的即可。在iOS里面的代碼設(shè)置如下：

glGenRenderbuffers(1, &depthRenderBuffer); // Step 1
      glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER,        // Step 2
         depthRenderBuffer);
      glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER,     // Step 3 
         GL_DEPTH_COMPONENT16, 
         currentDrawableWidth, 
         currentDrawableHeight);
      glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER,  // Step 4 
         GL_DEPTH_ATTACHMENT, 
         GL_RENDERBUFFER, 
         depthRenderBuffer);

坐標(biāo)系統(tǒng)及變換

在以前使用3DMax(制作3D模型的軟件)的時(shí)候就會有很多的坐標(biāo)系可以選擇膳灶，在做游戲的時(shí)候也是可以選擇世界坐標(biāo)或者是本地坐標(biāo)咱士，原來是OpenGL規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

對物體的每個(gè)點(diǎn)做矩陣變換就是對整個(gè)物體的進(jìn)行移動(dòng)轧钓、縮放序厉、旋轉(zhuǎn)。OpenGL封裝好了變換的矩陣毕箍，只需要我們傳入改變的值就可以生成對應(yīng)的矩陣弛房。與iOS里面的CoreGraphics或者是CALayer的transform矩陣變換是一樣的。列舉一下常用的幾種變換：

• 圍繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)：1）平移到所需要的旋轉(zhuǎn)中心而柑。2）施加所需要的旋轉(zhuǎn)庭再。3）使用與第一步相反的平移值平移回來
• 圍繞一個(gè)點(diǎn)縮放：1）平移到所需要的縮放中心。2）施加想要的縮放牺堰。3）使用與第一步相反的平移值平移回來

透視投影是以一個(gè)”平截投體“，例下圖所示：

平截投體

其設(shè)置的代碼如下所示（所傳入的屬性就是確定平截投體的大小的）：

self.baseEffect.transform.projectionMatrix = 
         GLKMatrix4MakeFrustum(
         -1.0 ,  //left
         1.0 ,   //right
         -1.0,  //bottom
         1.0,   //top
         1.0,       //near
         60.0); //far

OpenGL ES剩余內(nèi)容

剩下的還有動(dòng)畫颅围、讀取模型伟葫、特效（天空盒、粒子等）這些內(nèi)容院促，這部分沒有仔細(xì)的實(shí)現(xiàn)demo筏养，而是大概看了一下，前段時(shí)間看了游戲相關(guān)的內(nèi)容常拓，這些部分感覺就是專門為游戲和3D定制的渐溶，和應(yīng)用類的ios開發(fā)有些靠不上，所以這里等日后再學(xué)習(xí)弄抬。動(dòng)畫就是在單位時(shí)間內(nèi)（取決于刷新頻率）對定點(diǎn)做矩陣變化茎辐，骨骼動(dòng)畫就是制定父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)發(fā)生矩陣變化的時(shí)候同樣也要對子節(jié)點(diǎn)做變換掂恕，這樣的話就會有聯(lián)動(dòng)的效果了拖陆。因?yàn)閭鬟f到GPU的都是定點(diǎn)信息，那么模型其實(shí)就是頂點(diǎn)信息的文件懊亡，讀取的過程就是取出頂點(diǎn)依啰、紋理等信息。