常見的圖形API

OpenGL(Open Graphics Library)是?個跨編程語?、跨平臺的編程圖形程序接口挺邀，它將計算機的資源抽象稱為?個OpenGL的對象揉忘，對這些資源的操作抽象為?個的OpenGL指令。

OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL三維圖形 API 的子集端铛，針對手機泣矛、 PDA和游戲主機等嵌?式設備而設計，去除了許多不必要和性能較低的API接口禾蚕。

Metal : 蘋果為游戲開發(fā)者推出了了新的平臺技術Metal您朽，能夠為 3D 圖像提高 10 倍的渲染性能。Metal是Apple為了解決3D渲染?而推出的框架换淆。

DirectX是屬于 Windows上?個多媒體處理API哗总，并不支持Windows以外的平臺，所以不是跨平臺框架倍试， 按照性質(zhì)分類讯屈，可以分為四大部分，顯示部分县习、聲音部分涮母、輸入部分和?絡部分。

Open GL名詞

1. 狀態(tài)機

狀態(tài)機可以理解為一臺可以保存狀態(tài)躁愿，并根據(jù)當前狀態(tài)進行相應輸出的機器叛本。

核心要點：

記憶功能，保存當前狀態(tài)

接收輸入彤钟，修改當前狀態(tài)来候，或根據(jù)當前狀態(tài)進行輸出

當進?特殊狀態(tài)(停機狀態(tài))時，不再接收輸?样勃，停?工作

2. OpenGL上下文(context)

在應?程序調(diào)?任何OpenGL的指令之前吠勘，首先需要創(chuàng)建?個OpenGL的上下文性芬。這個上下?是?個?常龐?的狀態(tài)機，保存了了OpenGL中的各種狀態(tài)剧防，這也是OpenGL指令執(zhí)?的基礎植锉。

OpenGL的函數(shù)不管在哪個語?中，都是類似C語?一樣的面向過程的函數(shù)峭拘。本質(zhì)上都是對OpenGL上下?這個龐?的狀態(tài)機中的某個狀態(tài)或者對象進行操作俊庇。通過對 OpenGL指令的封裝，可以將OpenGL的相關調(diào)?封裝成為?個?向?qū)ο蟮膱D形API鸡挠。

由于OpenGL上下?是?個巨?的狀態(tài)機辉饱，切換上下文往往會產(chǎn)生較?的開銷，但是不同的繪制模塊拣展，可能需要使?完全獨立的狀態(tài)管理彭沼。因此，可以在應?程序中分別創(chuàng)建多個不同的上下文备埃，在不同線程中使?不同的上下文姓惑，上下?之間共享紋理、緩沖區(qū)等資源按脚。這樣的方案于毙，會?比反復切換上下?，或者?量修改渲染狀態(tài)辅搬，更加合理高效唯沮。

核心要點：

OpenGL指令執(zhí)?的基礎，是?個?常龐?的狀態(tài)機堪遂。

OpenGL上下文切換開銷大介蛉。雖然可能使用多個上下文，但上下文之間會共享紋理溶褪、緩沖區(qū)等資源甘耿。

OpenGL的函數(shù)雖然是面向過程的，但可以把相關的調(diào)用封裝為面向過程的圖形API竿滨。

3. 渲染

將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉換成3D空間圖像操作叫做渲染(Rendering)。

4. 頂點數(shù)組和頂點緩沖區(qū)

頂點數(shù)據(jù)就是圖像的輪廓捏境。OpenGL中的圖像都是由圖元組成于游。在OpenGL ES中，有3種類型的圖元：點垫言、線贰剥、三?形。

在調(diào)?繪制?法的時候筷频，直接由內(nèi)存?zhèn)魅腠旤c數(shù)據(jù)蚌成，也就是說這部分數(shù)據(jù)之前是存儲在內(nèi)存當中的前痘，被稱為頂點數(shù)組(VertexArray)。

?性能更高的做法是担忧，提前分配?塊顯存芹缔，將頂點數(shù)據(jù)預先傳?到顯存當中。這部分的顯存瓶盛，就被稱為頂點緩沖區(qū)(VertexBuffer)最欠。

核心要點：

3種類型的圖元：點、線惩猫、三?形芝硬。

頂點數(shù)組(VertexArray)在內(nèi)存中。

頂點緩沖區(qū)(VertexBuffer)在緩存中轧房。

5. 管線

在OpenGL下渲染圖形拌阴，就會經(jīng)歷?個?個的節(jié)點。而這樣的操作可以理理解管線奶镶。就像一個流?線迟赃，任務按照先后順序依次執(zhí)行。管線是?個抽象的概念实辑，之所以稱之為管線是因為顯卡在處理數(shù)據(jù)的時候是按照一個固定的順序來的捺氢，而且嚴格按照這個順序。

核心要點：

任務嚴格按順序依次執(zhí)行剪撬。

6. 固定管線/存儲著色器

在早期的OpenGL版本摄乒，封裝了多種著色器程序塊，內(nèi)置了一段包含了光照残黑、坐標變換馍佑、裁剪等諸多功能的固定shader程序來完成。來幫助開發(fā)者來完成圖形的渲染梨水。開發(fā)者只需要傳入相應的參數(shù)拭荤，就能快速完成圖形的渲染。類似于iOS開發(fā)會封裝很多API疫诽，而我們只需要調(diào)?舅世，就可以實現(xiàn)功能，不需要關注底層實現(xiàn)原理奇徒。

但是由于OpenGL的使?場景?常豐富雏亚，固定管線或存儲著?器?法完成每一 個業(yè)務摩钙，這時將相關部分開放成可編程罢低。

核心要點：

早期的OpenGL版本封裝的輔助快速開發(fā)的著色器程序塊。

由于提供的功能有限胖笛，后期變成了可編程的形式网持。

7. 著?器程序(Shader)

將固定渲染管線架構變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€宜岛。

OpenGL在實際調(diào)?繪制函數(shù)之前，還需要指定?個由shader編譯成的著色器程序功舀。常見的著?器主要有頂點著?器(VertexShader)萍倡，?段著?器(FragmentShader)/像素著?器(PixelShader)，幾何著?(GeometryShader)日杈，曲?細分著?器(TessellationShader)遣铝。片段著?器和像素著?器只是在OpenGL和DX中的不同叫法而已±蚯埽可惜的是酿炸，直到OpenGL ES 3.0，OpenGL ES依然只?持頂點著?器和片段著?器這兩個最基礎的著?器涨冀。

OpenGL在處理理shader時填硕，和其他編譯器一樣。通過編譯鹿鳖、鏈接等步驟扁眯，?成了著?器程序(glProgram)，著?器程序同時包含了頂點著?器和?段著?器的運算邏輯翅帜。在OpenGL進行繪制的時候姻檀，?先由頂點著?器對傳?的頂點數(shù)據(jù)進?運算。再通過圖元裝配涝滴，將頂點轉換為圖元绣版。然后進?光柵化，將圖元這種?量圖形歼疮，轉換為柵格化數(shù)據(jù)杂抽。最后，將柵格化數(shù)據(jù)傳入?段著?器中進?運算韩脏。?段著?器會對柵格化數(shù)據(jù)中的每一個像素進行運算缩麸，并決定像素的顏?。

核心要點：

將固定渲染管線架構變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€赡矢。

常見的著?器主要有頂點著?器杭朱，?段著?器/像素著?器，幾何著?吹散，曲?細分著?器痕檬。

OpenGL ES只?持頂點著?器和片段著?器。

OpenGL通過編譯送浊、鏈接等步驟，將?成著?器程序丘跌。

在OpenGL進行繪制的時候袭景，由頂點著?器對傳?的頂點數(shù)據(jù)進?運算唁桩。再通過圖元裝配，將頂點轉換為圖元耸棒。之后進?光柵化荒澡，將圖元這種?量圖形，轉換為柵格化數(shù)據(jù)与殃。最后单山，將柵格化數(shù)據(jù)傳入?段著?器中進?運算。?段著?器會對柵格化數(shù)據(jù)中的每一個像素進行運算幅疼，并決定像素的顏?米奸。

7.1 頂點著?器(VertexShader)

頂點著?器是OpenGL中?于計算頂點屬性的程序。

?般來說典型的需要計算的頂點屬性主要包括頂點坐標變換爽篷、逐頂點光照運算等等悴晰。頂點坐標由?身坐標系轉換到歸一化坐標系的運算，就是在這里發(fā)?的逐工。

頂點著?器是逐頂點運算的程序铡溪，也就是說每個頂點數(shù)據(jù)都會執(zhí)?一次頂點著?器。當然這是并行的泪喊，并且頂點著?器運算過程中?法訪問其他頂點的數(shù)據(jù)棕硫。

核心要點：

?般?來處理理圖形每個頂點變換(旋轉/平移/投影等)。

并行計算袒啼，且運算過程中?法訪問其他頂點的數(shù)據(jù)哈扮。

7.2 片段著?器(FragmentShader)

?段著?器是OpenGL中?于計算?段(像素)顏?的程序。一般?來處理圖形中每個像素點顏?計算和填充瘤泪。

?段著?器是逐像素運算的程序灶泵，也就是說每個像素都會執(zhí)?一次?段著?器，當然也是并?的对途。

核心要點：

一般?來處理圖形中每個像素點顏?計算和填充赦邻。

并行計算，且運算過程中?法訪問其他頂點的數(shù)據(jù)实檀。

8. GLSL(OpenGL Shading Language)

GLSL著色語?是?來在OpenGL中著?編程的語?惶洲，是在圖形卡的GPU上執(zhí)?的。代替了固定的渲染管線的?部分膳犹，使渲染管線中不同層次具有可編程性恬吕。?如：視圖轉換、投影轉換等须床。GLSL(GL Shading Language)的著?器代碼分成2個部分: Vertex Shader(頂點著?器)和Fragment(?斷著?器)铐料。

9. 光柵化(Rasterization)

光柵化就是把頂點數(shù)據(jù)轉換為片元的過程。具有將圖轉化為?個個柵格組成的圖象 的作?，特點是每個元素對應幀緩沖區(qū)中的?像素钠惩。

光柵化其實是?種將?何圖元變?yōu)槎S圖像的過程柒凉。該過程包含了兩部分的?作。第?部分工作：決定窗?坐標中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?篓跛；第?部分?作：分配一個顏?值和?個深度值到各個區(qū)域膝捞。

把物體的數(shù)學描述以及與物體相關的顏色信息轉換為屏幕上用于對應位置的像素及?于填充像素的顏?，這個過程稱為光柵化愧沟。這是?個將模擬信號轉化為離散信號的過程蔬咬。

核心要點：

光柵化就是把頂點數(shù)據(jù)轉換為片元的過程。

該過程包含了兩部分的?作：①決定窗?坐標中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?沐寺；②分配一個顏?值和?個深度值到各個區(qū)域林艘。

10. 紋理(Texture)

紋理可以理解為圖?。 在渲染圖形時需要在頂點圍成的區(qū)域中填充圖?芽丹，使得場景更加逼真北启。?這?使?的圖?，就是常說的紋理拔第。只是在OpenGL咕村，我們更加習慣叫紋理，?不是圖?蚊俺。

11. 混合(Blending)

在測試階段之后懈涛，如果像素依然沒有被剔除，那么像素的顏?將會和幀緩沖區(qū)中顏?附著上的顏色進?混合泳猬，混合的算法可以通過OpenGL的函數(shù)進行指定批钠。但是OpenGL提供的混合算法有限。如果需要更加復雜的混合算法得封，一般可以通過片段著?器進?實現(xiàn)埋心，當然性能會?原?的混合算法差?些。

12. 矩陣

12.1 變換矩陣(Transformation)

例如圖形想發(fā)?平移忙上、縮放拷呆、旋轉等變換，就需要使用變換矩陣疫粥。

12.1 投影矩陣(Projection)

?于將3D坐標轉換為?維屏幕坐標茬斧，實際線條也將在二維坐標下進行繪制。

13. 渲染上屏/交換緩沖區(qū)(SwapBuffer)

渲染緩沖區(qū)?般映射的是系統(tǒng)的資源?如窗?梗逮。如果將圖像直接渲染到窗口對應的渲染緩沖區(qū)项秉，則可以將圖像顯示到屏幕上。

值得注意的是慷彤，如果每個窗?只有?個緩沖區(qū)娄蔼，那么在繪制過程中屏幕進?了刷新怖喻，窗?可能顯示出不完整的圖像。

為了解決這個問題岁诉，常規(guī)的OpenGL程序?少都會有兩個緩沖區(qū)罢防。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)唉侄。在一個緩沖區(qū)渲染完成之后，通過將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換野建，實現(xiàn)圖像在屏幕上顯示属划。

由于顯示器的刷新?般是逐?進?的，為了防?交換緩沖區(qū)的時候屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個不同的幀候生，交換一般會等待顯示器刷新完成的信號同眯，在顯示器器兩次刷新的間隔中進?交換，這個信號就被稱為垂直同步信號唯鸭，這個技術被稱為垂直同步须蜗。

使用了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進?下?幀的渲染目溉，使得幀率無法完全達到硬件允許的最??平明肮。為了解決這個問題，引?了三緩沖區(qū)技術缭付。在等待垂直同步時柿估，來回交替渲染兩個離屏的緩沖區(qū)，?垂直同步發(fā)?生時陷猫，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換秫舌，實現(xiàn)充分利利?硬件性能的?的。

核心要點：

如果每個窗?只有?個緩沖區(qū)绣檬，若在繪制過程中屏幕進?了刷新足陨，窗?可能顯示出不完整的圖像。為了解決這個問題娇未，常規(guī)的OpenGL程序?少都會有兩個緩沖區(qū)墨缘。

垂直同步：由于顯示器的刷新?般是逐?進?的，為了防?交換緩沖區(qū)的時候屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個不同的幀忘蟹，交換一般會等待顯示器刷新完成的信號飒房，在顯示器器兩次刷新的間隔中進?交換，這個信號就被稱為垂直同步信號媚值，這個技術被稱為垂直同步狠毯。

三緩沖區(qū)技術：使用了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進?下?幀的渲染褥芒，使得幀率無法完全達到硬件允許的最??平嚼松。為了解決這個問題嫡良，引?了三緩沖區(qū)技術。在等待垂直同步時献酗，來回交替渲染兩個離屏的緩沖區(qū)寝受，?垂直同步發(fā)?生時，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換罕偎，實現(xiàn)充分利利?硬件性能的?的很澄。