常用的圖形api的分類(lèi)

OpenGL(Open Graphics Library)是個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的編程圖形程序接口冻璃，它將計(jì)算機(jī)的資源抽象稱(chēng)為一個(gè)OpenGL的對(duì)象响谓，對(duì)這些資源的操作抽象為一個(gè)的OpenGL指令。
OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL三維圖形 API 的子集省艳，針對(duì)?手機(jī)娘纷、 PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)，去除了了許多不不必要和性能較低的API接口跋炕。
DirectX 是由很多API組成的赖晶，DirectX并不不是個(gè)單純的圖形API. 最重要的是DirectX是屬于 Windows上個(gè)多媒體處理理API。并不支持Windows以外的平臺(tái)辐烂，所以不是跨平臺(tái)框架遏插， 按照性 質(zhì)分類(lèi)，可以分為四大部分纠修，顯示部分胳嘲、聲音部分、輸入部分和?網(wǎng)絡(luò)部分扣草。
Metal : Apple為游戲開(kāi)發(fā)者推出了了新的平臺(tái)技術(shù)Metal了牛，該技術(shù)能夠?yàn)?3D 圖像提?高 10 倍的渲染性能颜屠。Metal是Apple為了了解決3D渲染?而推出的框架。

1. OpenGL 狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)一般可以理解為一臺(tái)可以保存狀態(tài)鹰祸，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸出的機(jī)器甫窟。

核心要點(diǎn)

• 記憶功能，保存當(dāng)前狀態(tài)
• 接受輸入蛙婴，修改當(dāng)前狀態(tài)粗井，或者根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸出
• 根據(jù)特殊狀態(tài)（停機(jī)狀態(tài)），不再接受和輸出街图，停止工作浇衬。

2.OpenGL上下文

在應(yīng)?程序調(diào)?任何OpenGL的指令之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建?個(gè)OpenGL的上下?文台夺。這個(gè)上下?是?個(gè)?常龐?的狀態(tài)機(jī)径玖，保存了了OpenGL中的各種狀態(tài)，這也是OpenGL指令執(zhí)?的基礎(chǔ)颤介。

OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語(yǔ)?中梳星，都是類(lèi)似C語(yǔ)?一樣的面向過(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)行操作滚朵。通過(guò)對(duì) OpenGL指令的封裝冤灾，可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)?封裝成為?個(gè)?向?qū)ο蟮膱D形API。

由于OpenGL上下?是?個(gè)巨?大的狀態(tài)機(jī)辕近，切換上下文往往會(huì)產(chǎn)生較?的開(kāi)銷(xiāo)韵吨，但是不同的繪制模塊，可能需要使?完全獨(dú)立的狀態(tài)管理移宅。因此归粉，可以在應(yīng)?程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下文，在不同線程中使?不同的上下文漏峰，上下?之間共享紋理糠悼、緩沖區(qū)等資源。這樣的?方案浅乔，會(huì)?比反復(fù)切換上下?倔喂，或者?量修改渲染狀態(tài)，更加合理高效靖苇。

3. 渲染

將圖形圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2d空間圖像操作叫做渲染席噩。

4. 頂點(diǎn)數(shù)組、定點(diǎn)緩沖區(qū)

• 畫(huà)圖?般是先畫(huà)好圖像的?架贤壁，然后再往?架??填充顏?悼枢，這對(duì)于OpenGL也是?樣的。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)就是要畫(huà)的圖像的?架脾拆，和現(xiàn)實(shí)中不同的是萧芙，OpenGL中的圖像都是由圖元組成给梅。在OpenGL ES中，有3種類(lèi)型的圖元：點(diǎn)双揪、線、三?形包帚。那這些頂點(diǎn)數(shù)據(jù)最終是存儲(chǔ)在哪?的呢渔期？開(kāi)發(fā)者可以選擇設(shè)定函數(shù)指針，在調(diào)?繪制?法的時(shí)候渴邦，直接由內(nèi)存?zhèn)?頂點(diǎn)數(shù)據(jù)疯趟，也就是說(shuō)這部分?jǐn)?shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中的，被稱(chēng)為頂點(diǎn)數(shù)組谋梭。?性能更?的做法是信峻，提前分配?塊顯存，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳?到顯存中瓮床，這部分顯存盹舞，成為頂點(diǎn)緩沖區(qū)。
• 頂點(diǎn)是指在我們繪制一個(gè)圖形時(shí)隘庄，她的頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)踢步，而這個(gè)位置數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)在數(shù)組中或者將其緩存到GPU中。

5丑掺、管線

在OpenGL下渲染圖形获印，就會(huì)有經(jīng)歷一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，而這樣的操作可以理解為管線街州，大家可以想象成流水線兼丰。每個(gè)任務(wù)類(lèi)似流水線般執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)之間有先后順序唆缴，管線是一個(gè)抽象的概念鳍征，之所以成為管線是因?yàn)?顯卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候是按照一個(gè)固定的順序來(lái)的，而且嚴(yán)格按照這個(gè)順序來(lái)的琐谤，就像水從一根管子的一頭流向另外一頭蟆技，這個(gè)順序是不能打破的

6、著色器程序shader

• 就全?的將固定渲染管線架構(gòu)變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€斗忌。因此质礼，OpenGL在實(shí)際調(diào)?繪制函數(shù)之前，還需要指定?個(gè)由shader編譯成的著?器程序织阳。常?的著?器主要有頂點(diǎn)著?器（VertexShader）眶蕉，?段著?器（FragmentShader）/像素著?器（PixelShader），?何著?器（GeometryShader）唧躲，曲?細(xì)分著?器（TessellationShader）造挽。?段著?器和像素著?器只是在OpenGL和DX中的不同叫法?已碱璃。目前，只支持頂點(diǎn)著色器和片段著色器兩個(gè)基本的著色器饭入。
• OpenGL在處理shader時(shí)嵌器，和其他編譯器?樣。通過(guò)編譯谐丢、鏈接等步驟爽航，?成了著?器程序（glProgram），著?器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著?器和?段著?器的運(yùn)算邏輯乾忱。在OpenGL進(jìn)?繪制的時(shí)候讥珍，?先由頂點(diǎn)著?器對(duì)傳?的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)?運(yùn)算。再通過(guò)圖元裝配窄瘟，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元衷佃。然后進(jìn)?光柵化，將圖元這種?量圖形蹄葱，轉(zhuǎn)換為柵格化數(shù)據(jù)氏义。最后，將柵格化數(shù)據(jù)傳??段著?器中進(jìn)?運(yùn)算新蟆。?段著?器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中的每?個(gè)像素進(jìn)
  ?運(yùn)算觅赊，并決定像素的顏?。

固定管線/存儲(chǔ)著色器

• 在早期的OpenGL 版本,它封裝了很多種著?器程序塊內(nèi)置的?段包含了光照琼稻、坐標(biāo)變換吮螺、裁剪等等諸多功能的固定shader程序來(lái)完成,來(lái)幫助開(kāi)發(fā)者來(lái)完成圖形的渲染. ?開(kāi)發(fā)者只需要傳?相應(yīng)的參數(shù),就能快速完成圖形的渲染. 類(lèi)似于iOS開(kāi)發(fā)會(huì)封裝很多API,?我們只需要調(diào)?,就可以實(shí)現(xiàn)功能.不需要關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)原理
• 但是由于OpenGL 的使?場(chǎng)景?常豐富,固定管線或存儲(chǔ)著?器?法完成每?個(gè)業(yè)務(wù).這時(shí)將相關(guān)部分開(kāi)放成可編程

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)算的程序帕翻，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?器鸠补，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)嘀掸。
• ?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)變換紫岩、逐頂點(diǎn)光照運(yùn)算等等。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)算睬塌，就是在這發(fā)生的泉蝌。

片元著色器

• ?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。?段著?器是逐像素運(yùn)算的程序揩晴，也就是說(shuō)每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)??次?段著?器勋陪，當(dāng)然也是并行的。

GLSL(OpenGL Shading Language）

• OpenGL著?語(yǔ)?（OpenGL Shading Language）是?來(lái)在OpenGL中著?編程的語(yǔ)?硫兰，也即開(kāi)發(fā)?員寫(xiě)的短?的?定義程序诅愚，他們是在圖形卡的GPU （Graphic Processor Unit圖形處理單元）上執(zhí)?的，代替了固定的渲染管線的?部分劫映，使渲染管線中不同層次具有可編程性违孝。?如：視圖轉(zhuǎn)換刹前、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

• 把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過(guò)程雌桑，具有將圖轉(zhuǎn)換為一個(gè)個(gè)珊格組成圖像的過(guò)程喇喉，特點(diǎn)是每個(gè)元素對(duì)應(yīng)幀緩沖中的一個(gè)像素。
• 光柵化就是頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元數(shù)據(jù)的過(guò)程筹燕，片元中的每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)幀緩沖的一個(gè)像素轧飞。
• 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?作撒踪。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?；第?部分?作：分配?個(gè)顏?值和?個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域大渤。光柵化過(guò)程產(chǎn)?的是?元制妄。
• 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?，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為光柵化泵三，這是?個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過(guò)程耕捞。

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

在測(cè)試階段之后，如果像素依然沒(méi)有被剔除烫幕，那么像素的顏?將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏?附著上的顏?進(jìn)?混合俺抽，混合的算法可以通過(guò)OpenGL的函數(shù)進(jìn)?指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的较曼，如果需要更加復(fù)雜的混合算法磷斧，?般可以通過(guò)像素著?器進(jìn)?實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)?原?的混合算法差?些

矩陣

• 變換矩陣
  例如圖形想發(fā)?平移,縮放,旋轉(zhuǎn)變換.就需要使?變換矩陣
• 投影矩陣Projection
  ?于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為?維屏幕坐標(biāo),實(shí)際線條也將在?維坐標(biāo)下進(jìn)?繪制

渲染上屏/交換緩沖區(qū)

• 渲染緩沖區(qū)?般映射的是系統(tǒng)的資源?如窗?捷犹。如果將圖像直接渲染到窗?對(duì)應(yīng)的渲染緩沖區(qū)弛饭，則可以將圖像顯示到屏幕上
• 但是，值得注意的是萍歉，如果每個(gè)窗?只有?個(gè)緩沖區(qū)侣颂，那么在繪制過(guò)程中屏幕進(jìn)?了刷新，窗?可能顯示出不完整的圖像
• 為了解決這個(gè)問(wèn)題枪孩，常規(guī)的OpenGL程序?少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)憔晒。顯示在屏幕上的稱(chēng)為屏幕緩沖區(qū)，沒(méi)有顯示的稱(chēng)為離屏緩沖區(qū)蔑舞。在?個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后拒担，通過(guò)將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上的顯示斗幼。
• 由于顯示器的刷新?般是逐?進(jìn)?的澎蛛，因此為了防?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，因此交換?般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)蜕窿，在顯示器兩次刷新的間隔中進(jìn)?交換谋逻，這個(gè)信號(hào)就被稱(chēng)為垂直同步信號(hào)呆馁，這個(gè)技術(shù)被稱(chēng)為垂直同步
• 使?了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術(shù)之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進(jìn)?下?幀的渲染毁兆，使得幀率?法完全達(dá)到硬件允許的最??平浙滤。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引?了三緩沖區(qū)技術(shù)气堕，在等待垂直同步時(shí)纺腊，來(lái)回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，?垂直同步發(fā)?時(shí)茎芭，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換揖膜，實(shí)現(xiàn)充分利?硬件性能的?的