认识图形API

• OpenGL (Open Graphics Library)是⼀一个跨编程语⾔言、跨平台的编程图形程序接⼝口，它将计算机的资源抽象称为⼀一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为⼀一个个的OpenGL指令。
• OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL 三维图形 API 的⼦子集，针对⼿手机、 PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备⽽而设计，去除了了许多不不必要和性能较低的API接⼝口。
• DirectX 是由很多API组成的，DirectX并不不是⼀一个单纯的图形API. 最重要的是DirectX是属于 Windows上⼀一个多媒体处理框架.并不⽀持Windows以外的平台,所以不是跨平台框架。按照性质分类，可以分为四大部分，显示部分、声音部分、输入部分和网络部分。
• Metal : Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为 3D 图像提⾼ 10 倍的渲染性能.Metal 是Apple为了解决3D渲染⽽而推出的框架。

OpenGL 专业名词解析

状态机

状态机是理论上的一种机器，描述了一个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。(“状态机”可以简化这个描述：OpenGL是一个状态机，它保持自身的状态，除非用户输入一条命令让它改变状态。)

状态机特点：

1. 有记忆功能，能记住其当前的状态;
   2.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;
   3.当进入特殊状态(停机状态)的时候，变不再接收输入，停⽌工作;

OpenGL上下文(context)

• 在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，首先需要创建⼀个OpenGL的上下⽂。这个上下⽂是⼀个⾮常庞⼤的状态机，保存了了OpenGL中的各种状态，这也是OpenGL指令执⾏的基础。
• OpenGL的函数不管在哪个语⾔中，都是类似C语⾔一样的面向过程的函数。本质上都是对OpenGL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。通过对 OpenGL指令的封装，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。

渲染

将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering)。

顶点数组（VertexArray）/ 顶点缓冲区（VertexBuffer）

• 顶点数据就是要画的图像的⻣骨架，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有3种类型的图元:点、线、三角形。
  那这些顶点数据最终是存储在哪⾥里里的呢?
  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存储在内存当中的，被称为顶点数组。⽽而性能更高的做法是，提前分配⼀一块显存，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。
• 顶点指的是我们在绘制一个图形时,它的顶点位置数据.而这个数据可以直接存储在数组中或者将其缓存到GPU内存中。

管线

• OpenGL是一个线性的，面向过程的，按顺序处理的流水线工程，管线就表示这个渲染的过程，也是一个抽象的概念。
• 固定管线/存储着色器：固定的渲染过程，早期的OpenGL封装好的程序段，具有一些固定功能，来帮助开发者完成工作，类似于已经封装好的API。

核心：严格安州顺序依次执行

着⾊器程序（Shader）

全⾯的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。
OpenGL在实际调⽤绘制函数之前，还需要指定⼀个由shader编译成的着色器程序。常见的着⾊器主要有：顶点着⾊器(VertexShader)，⽚段着⾊器(FragmentShader)/像素着⾊器(PixelShader)（在Metal里面称为片元函数，顶点函数），几何着⾊(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。可惜的是，直到 OpenGLES 3.0，依然只⽀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的时候，通过编译、链接来生成着色器程序
具体步骤：先由顶点着色器对传入的顶点数据进行计算，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)

• 一般⽤用来处理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无法访问其他顶点的数据.
• 一般来说典型的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。

片段着⾊器(FragmentShader)

• ⽚段着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段(像素)颜⾊的程序。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)是⽤来在OpenGL中着色编程的语言，也即开发⼈员写的短小的自定义程序，他们是在图形卡的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(⽚元着⾊器)。

光栅化（Rasterization）

• 光栅化就是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。
• 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，这个过程称为光栅化。这是⼀个将模拟信号转化为离散信号的过程。

纹理(Texture)

纹理可以理解为图⽚。 在渲染图形时需要在顶点围成的区域中填充图⽚，使得场景更加逼真。⽽这⾥使⽤的图⽚，就是常说的纹理。只是在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提供的混合算法有限。如果需要更加复杂的混合算法，一般可以通过片段着⾊器进⾏实现，当然性能会⽐原⽣的混合算法差⼀些。

矩阵

变换矩阵(Transformation)

例如图形想发⽣平移,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

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。
• 值得注意的是，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，交换一般会等待显示器刷新完成的信号，在显示器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，实现充分利利⽤硬件性能的⽬的。