OpenGL-基本概念

基本概念

OpenGL(Open Graphics Library)：OpenGL是一个跨平台的编程程序接口, 是一种用于创建实时3D图像的编程接口。它将计算机的资源抽象成了一个个OpenGL对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。主要用于PC端
OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)：OpenGL ES是OpenGL三维图形API的子集，针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计，去除了许多不必要的和性能较低的API接口。
Metal：为了发展自己的渲染技术，提升自己的渲染性能，Apple公司在2014年推出了自己的渲染技术平台Metal，该技术能够为3D图像提高10倍的渲染性能。

Apple发展自己的底层渲染技术，所以推出了Metal，在推出Metal之前，苹果的底层渲染也是基于OpenGL/OpenGL ES的，在iOS12.0以后，苹果摒弃了OpenGL的相关API，使用Metal作为自己的渲染技术，但是OpenGL相关的API依然可以使用，因为在Metal之前，苹果提供了非常丰富的关于使用OpenGL相关API.

图形API的作用

游戏开发中，对于游戏场景/游戏人物的渲染
视频开发中，对于视频解码后的数据渲染和加入滤镜效
地图引擎，对于地图上的数据渲染
动画中，实现动画的绘制

OpenGL/OpenGL ES/Metal 本质就是利用GPU芯片来高效的渲染图形图像。图形API是iOS开发者唯一接近GPU的方式。

专业名词

状态机上下文

状态机描述了对象在其⽣命周期内所经历的各种状态，状态间的转变，发⽣转变的动因，条件及转变中所执⾏的活动。
或者说，状态机是⼀种⾏为，说明对象在其⽣命周期中响应事件所经历的状态序列以及对那些状态事件的响应。具有以下特点：

有记忆功能，能记住其当前的状态
可以接收输⼊，根据输⼊的内容和⾃⼰的原先状态，修改⾃⼰当前状态，并且可以有对应输出
当进⼊特殊状态（停机状态）的时候，不再接收输⼊，停⽌⼯作；

OpenGL自身是一个巨大的状态机(State Machine)：一系列的变量描述OpenGL此刻应当如何运行。OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。我们通常使用如下途径去更改OpenGL状态：设置选项，操作缓冲。最后，我们使用当前OpenGL上下文来渲染。

假设当我们想告诉OpenGL去画线段而不是三角形的时候，我们通过改变一些上下文变量来改变OpenGL状态，从而告诉OpenGL如何去绘图。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段，下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

OpenGL可以记录自己的状态（当前所使用的颜色、是否开启了混合功能等），可以接输入（当调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接受我们的输入），如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的“当前颜色”这个状态.
OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。在程序退出前，OpenGL总会先停止工作；

在应⽤程序调⽤OpenGL指令之前，需要⾸先创建⼀个OpenGL的上下⽂。这个上下⽂是⼀个⾮常庞⼤的状态机，保存了OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL指令执⾏的基础。

OpenGL的函数本质上是对上下⽂这个庞⼤的状态机中的某个状态或者对象进⾏操作，当然你得⾸先把这个对象设置为当前上下文。
因此，对OpenGL指令进行封装，是可以将OpenGL的相关调用封装成为一个面向对象的图形API。
由于OpenGL上下⽂是⼀个巨⼤的状态机，切换上下⽂往往会产⽣较⼤的开销，但是不同的绘制模块，可能需要使⽤完全独⽴的状态管理。因此，可以在应⽤程序中分别创建多个不同的上下⽂，在不同线程中使⽤不同的上下⽂，上下⽂之间共享纹理、缓冲区等资源。这样的⽅案，会⽐反复切换上下⽂，或者⼤量修改渲染状态，更加合理⾼效的.

顶点数组[VertexArray]和顶点缓冲区[VertexBuffer]

画图⼀般是先画好图像的⻣架，然后再往⻣架⾥⾯填充颜⾊，这对于OpenGL也是⼀样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架.
和现实中不同的是，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGLES中，有3种类型的图元：点、线、三⻆形。所有显示的效果都是由这三种图元组成
那顶点数据是如何存储呢？开发者可以选择设定函数指针，在调⽤绘制⽅法的时候，直接由内存传⼊顶点数据，也就是说这部分数据之前是存储在内存当中的，被称为顶点数组。
⽽性能更⾼的做法是，提前分配⼀块显存，将顶点数据预先传⼊到显存当中。这部分的显存，就被称为顶点缓冲区。顶点缓存区在显卡显存中。

管线

在OpenGL下渲染图形,就会有经历⼀个⼀个节点.⽽这样的操作过程可以理解为管线。
⼤家可以想象成流⽔线，每个任务类似流⽔线般执⾏，任务之间有先后顺序，管线是⼀个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡在处理数据的时候是按照⼀个固定的顺序来的，⽽且严格按照这个顺序。就像⽔从⼀根管⼦的⼀端流到另⼀端，这个顺序是不能打破的。

固定管线/存储着⾊器

早期的OpenGL版本,它封装了很多种着⾊器程序块,内置⼀段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定Shader程序,帮助开发者来完成图形的渲染. ⽽开发者只需要传⼊相应的参数,就能快速完成图形的渲染.
但是由于OpenGL的使⽤场景⾮常丰富,固定管线或存储着⾊器⽆法完成每⼀个业务.于是将相关部分开放成可编程,全⾯的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线.

着色器程序Shader

因此，OpenGL在实际调⽤绘制函数之前，需要指定⼀个由Shader编译成的着⾊器程序。常⻅的着⾊器主要有顶点着⾊器（VertexShader），⽚段着⾊器（FragmentShader）,像素着⾊器（PixelShader），⼏何着⾊器（GeometryShader），曲⾯细分着⾊器(TessellationShader)。⽚段着⾊器和像素着⾊器只是在OpenGL和DX中的不同叫法⽽已。
直到OpenGLES 3.0，依然只⽀持了顶点着⾊器和⽚段着⾊器这两个最基础的着⾊器。
OpenGL在处理shader时，和其他编译器⼀样。通过编译、链接等步骤，⽣成了着⾊器程序（glProgram），着⾊器程序同时包含了顶点着⾊器和⽚段着⾊器的运算逻辑。
在OpenGL进⾏绘制的时候，⾸先由顶点着⾊器对传⼊的顶点数据进⾏运算。再通过图元装配，将顶点转换为图元。然后进⾏光栅化，将图元这种⽮量图形，转换为栅格化数据。最后，将栅格化数据传⼊⽚段着⾊器中进⾏运算。⽚段着⾊器会对栅格化数据中的每⼀个像素进⾏运算，并决定像素的颜⾊。

顶点着⾊器(VertexShader)

⼀般⽤来处理图形每个顶点变换(旋转/平移/投影等)
顶点着⾊器是OpenGL中⽤于计算顶点属性的程序。顶点着⾊器是逐顶点运算的程序，也就是说每个顶点数据都会执⾏⼀次顶点着⾊器，当然这是并⾏的，并且顶点着⾊器运算过程中⽆法访问其他顶点的数据。
⼀般来说需要计算的顶点属性主要包括顶点坐标变换、逐顶点光照运算等等。顶点坐标由⾃身坐标系转换到归⼀化坐标系的运算，就是在这⾥发⽣的。

⽚元/片段/像素着⾊器程序(FragmentShader)

⼀般⽤来处理图形中每个像素点颜⾊计算和填充。
⽚段着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段（像素）颜⾊的程序。⽚段着⾊器是逐像素运算的程序，也就是说每个像素都会执⾏⼀次⽚段着⾊器，当然也是并⾏的。

GLSL(OpenGL Shading Language)

OpenGL着⾊语⾔（OpenGL Shading Language）⽤来在OpenGL中着⾊编程的语⾔，专门为图形开发设计的变成语言，是在GPU（Graphic Processor Unit图形处理单元）上执⾏的，代替了固定的渲染管线的⼀部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。⽐如：视图转换、投影转换等。GLSL（GL Shading Language）的着⾊器代码分成2个部分：Vertex Shader（顶点着⾊器）和Fragment（⽚断着⾊器）。

光栅化(Rasterization)

光栅化是把物体的数学描述以及与物体相关的颜⾊信息转换为屏幕上⽤于对应位置的像素及⽤于填充像素的颜⾊，这是⼀个将模拟信号转化为离散信号的过程。

这里是指把顶点数据转换为⽚元的过程，具有将图转化为⼀个个栅格组成的图象的作⽤，特点是每个元素对应帧缓冲区中的⼀像素。
光栅化就是把顶点数据转换为⽚元的过程，⽚元中的每⼀个元素对应于帧缓冲区中的⼀个像素。
光栅化其实是⼀种将⼏何图元变为⼆维图像的过程。该过程包含了两部分的⼯作。第⼀部分⼯作：决定窗⼝坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占⽤；第⼆部分⼯作：分配⼀个颜⾊值和⼀个深度值到各个区域。光栅化过程产⽣的是⽚元。

纹理

纹理可以理解为图⽚，为了使得场景更加逼真，在渲染图形时需要编码填充图⽚。⽽这⾥使⽤的图⽚，就是常说的纹理，但是在OpenGL，我们更加习惯叫纹理,⽽不是图⽚。

混合(Blending)

在测试阶段之后，如果像素依然没有被剔除，那么像素的颜⾊将会和帧缓冲区中颜⾊附着上的颜⾊进⾏混合，混合的算法可以通过OpenGL的函数进⾏指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的，如果需要更加复杂的混合算法，⼀般可以通过像素着⾊器进⾏实现，当然性能会⽐原⽣的混合算法差⼀些。

变换矩阵(Transformation)

图形想发⽣平移,缩放,旋转变换.就需要使⽤变换矩阵。

投影矩阵(Projection)

⽤于将3D坐标转换为⼆维屏幕坐标,实际线条也将在⼆维坐标下进⾏绘制。

视口、窗口

视口是与设备相关的一个矩形区域，坐标单位是与设备相关的“像素”，大多数情况下，视口与客户区相同。窗口的坐标是逻辑坐标，与设备无关，可能是像素、毫米或者英寸。窗口坐标的原点与视口坐标的原点始终对应于同一点。
对于同一个图形，用窗口坐标系统表达的该区域的长和宽与视口的坐标系统表达的长和宽是不同的。二者就定义了这两个坐标系统的比例关系。
程序作图时，使用的坐标总是是窗口坐标。而实际的显示或输出设备却各有自己的坐标。
视口是设备自己的坐标，窗口是逻辑坐标

渲染上屏/交换缓冲区(SwapBuffer)

渲染缓冲区⼀般映射的是系统的资源⽐如窗⼝。如果将图像直接渲染到窗⼝对应的渲染缓冲区，则可以将图像显示到屏幕上。
但如果每个窗⼝只有⼀个缓冲区，那么在绘制过程中屏幕进⾏了刷新，窗⼝可能显示出不完整的图像
为了解决这个问题，常规的OpenGL程序⾄少都会有两个缓冲区。显示在屏幕上的称为屏幕缓冲区，没有显示的称为离屏缓冲区。
在⼀个缓冲区渲染完成之后，通过将屏幕缓冲区和离屏缓冲区交换，实现图像在屏幕上的显示。
由于显示器的刷新⼀般是逐⾏进⾏的，为了防⽌交换缓冲区的时候屏幕上下区域的图像分属于两个不同的帧，因此⼀般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器两次刷新的间隔中进⾏交换，这个信号就被称为垂直同步信号，这个技术被称为垂直同步
使⽤了双缓冲区和垂直同步技术之后，由于总是要等待缓冲区交换之后再进⾏下⼀帧的渲染，使得帧率⽆法完全达到硬件允许的最⾼⽔平。
为了解决这个问题，引⼊了三缓冲区技术，在等待垂直同步时，来回交替渲染两个离屏的缓冲区，⽽垂直同步发⽣时，屏幕缓冲区和最近渲染完成的离屏缓冲区交换，实现充分利⽤硬件性能的⽬的

简单实例

绘制正方形

image.png

导入头文件

/*
   `#include<GLShaderManager.h>` 移入了GLTool 着色器管理器（shader Mananger）类。
  没有着色器，我们就不能在OpenGL（核心框架）进行着色。
  着色器管理器不仅允许我们创建并管理着色器，还提供一组“存储着色器”，他们能够进行一些基本的渲染操作。
 */
#include "GLShaderManager.h"
/*
GLTool.h头文件包含了大部分GLTool中类似C语言的独立函数
*/
#include "GLTools.h"
/*
 在Mac 系统下，`#include<glut/glut.h>`
*/
#include <GLUT/GLUT.h>

全局变量

//定义一个，着色管理器
GLShaderManager shaderManager;
//简单的批次容器，是GLTools的一个简单的容器类。
GLBatch triangleBatch;
//blockSize 边长
GLfloat blockSize = 0.1f;
//正方形的4个点坐标
GLfloat vVerts[] = {
        -blockSize,-blockSize,0.0f,
        blockSize,-blockSize,0.0f,
        blockSize,blockSize,0.0f,
        -blockSize,blockSize,0.0f
};
GLfloat xPos = 0.0f;
GLfloat yPos = 0.0f;

窗口大小改变的回调函数

/*
changeSize 函数:⾃定义函数.通过glutReshaperFunc(函数名)注册为重塑函数.
当屏幕⼤⼩发⽣变化/或者第⼀次创建窗⼝时,会调⽤该函数调整窗⼝⼤⼩/视⼝⼤⼩
 */
void changeSize(int w,int h)
{
    //x,y 参数代表窗口中视图的左下角坐标，而宽度、高度是像素为表示，通常x,y 都是为0
    glViewport(0, 0, w, h);
}