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OpenGL 专业名词解析 - 02


  分类:OpenGL学习  / 
更新:2020-07-24 09:50:15  /  创建:2020-02-22 22:16:33
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OpenGL 上下文(context)

  • 在应用程序调用任何OpenGL的指令之前,需要安排首先创建⼀一个OpenGL的上下文。这个上下文是⼀一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,当然你得首先把这个对象设置为当前对象。因此,通过对OpenGL指令的封装,是可以将OpenGL的相关调用封装成为一个面向对象的 图形API的
  • 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

OpenGL 状态机

状态机是理论上的一种机器。
这个非常难以理解。
所以我们把这个状态机这么理解。
状态机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。
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。因此具有以下特点:

  • 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,便不再接收输入,停⽌⼯作

类推到OpenGL 中来,可以这么理解:

  • OpenGL可以记录自己的状态(如当前所使用的颜色、是否开启了混合功能等)
  • OpenGL可以接收输⼊(当调用OpenGL函数的时候,实际上可以看成 OpenGL 在接收我们的输入),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总会先停止工作的;

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) 和 顶点缓冲区(VertexBuffer)

  • 画图一般是先画好图像的骨架,然后再往骨架里面填充颜色,这对于 OpenGL也是一样的。顶点数据就是要画的图像的骨架,和现实中不同的是,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、三⻆形。那这些顶点数据最终是存储在哪里的呢?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

在OpenGL 下渲染图形,就会有经历一个⼀个节点,而这样的操作可以理解管线。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

  • 在早期的OpenGL 版本,它封装了很多种着色器程序块内置的一段包含了光 照、坐标变换、裁剪等诸多功能的固定shader程序来完成,来帮助开发者完成图形的渲染。 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。 类似于iOS开发会封装很多API,而我们只需要调用,就可以实现功能。不需要关注底层实现原理
  • 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。这时将相关部分开放成可编程

着⾊色器器程序Shader

  • 就全面的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此,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),⼏几何着色器 (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DirectX中的不同叫法而已。可惜的是,直到 OpenGL ES 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

顶点着⾊色器器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。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)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,它们是在图形卡的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(片断着⾊器)

光栅化Rasterization

  • 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。
  • 光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。片元中的每⼀一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
  • 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

纹理可以理解为图片. 大家在渲染图形时需要在其编码填充图片,为了使得场景更加逼真.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)

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。
  • 但是,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,实现图像在屏幕上的显示。
  • 由于显示器的刷新一般是逐行进⾏的,因此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,因此交换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

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