LearnOpenGL - 专业名词解析

专业名词解析

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©shuan9999

1. Context (OpenGL上下文)

• 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。

2. 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。

3. 渲染

• 将图形/图像数据转换成3D空间图像操作叫做渲染(Rendering)。

4. 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OpenGLES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。

5. 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。

6. 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。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色器无法完成每⼀个业务，这时将相关部分开放成可编程。

7. Shader(着⾊器程序)

• 前面说到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
  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。可惜的是，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。

8. VertexShader(顶点着⾊器)

• 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。

9. FragmentShader(⽚元着⾊器)

• ⼀般⽤来处理图形中每个像素点颜⾊计算和填充；
• ⽚元着⾊器是OpenGL中⽤于计算⽚段（像素）颜⾊的程序。⽚元着⾊器是
  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。

10. 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）。

11. Rasterization(光栅化)

• 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；
• 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。

12. 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。

13. Blending(混合)

• 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。

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 笛卡尔坐标系

• 二维坐标系：

  • 二维的直角坐标系通常由两个互相垂直的坐标轴设定，通常分别称为 x-轴
    和 y-轴；两个坐标轴的相交点，称为原点，通常标记为 O ，既有“零”的意思，又是英语“Origin”的首字母。每一个轴都指向一个特定的方向。这两个不同线的坐标轴，决定了一个平面，称为 xy-平面，又称为笛卡尔平面。x-轴被水平摆放，称为横轴，通常指向右方；y-轴被竖直摆放而称为纵轴，通常指向上方。两个坐标轴这样的位置关系，称为二维的右手坐标系，或右手系。如果把这个右手系画在一张透明纸片上，则在平面内无论怎样旋转它，所得到的都叫做右手系；但如果把纸片翻转，其背面看到的坐标系则称为“左手系”。这和照镜子时左右对掉的性质有关。

• 三维坐标系：

  • 过定点O，作三条互相垂直的数轴，它们都以O为原点且一般具有相同的长度单位。这三条轴分别叫做x轴(横轴）、y轴(纵轴)、z轴(竖轴)，统称坐标轴。通常把x轴和y轴配置在水平面上，而z轴则是铅垂线，它们的正方向要符合右手规则，即以右手握住z轴，当右手的四指从正向x轴以π/2角度转向正向y轴时，大拇指的指向就是z轴的正向，这样的三条坐标轴就组成了一个空间直角坐标系，点O叫做坐标原点。这样就构成了一个笛卡尔坐标。

  

18. 视口、剪裁区域

• 我们使用OpenGL绘制时是在坐标系中绘制的，但是最终是要显示到窗口的，理论上我们坐标系是正负无穷大的，但是我们窗口大小却是确定的，此时我们就需要告诉OpenGL我们的窗口需要显示坐标系中哪一块区域，超出这个区域的部分窗口就不显示了，这个区域就是裁剪区域。
• 确定好裁剪区域后，我们需要将裁剪区域显示在窗口上，裁剪区域的宽高很少与窗口的宽高(以像素为单位)相匹配，因此坐标系统必须将笛卡尔坐标系映射到屏幕像素坐标系，这个映射就是通过一种叫做**视口(ViewPort)**的设置来指定的。视口就是窗口内部用于绘制裁剪区域的客户区域。
• 如此下示意图，坐标系中剪裁区域映射到窗口时的两种情况：
  
  
• 另外视口大小是可以超出窗口的，此时就只会显示剪裁区域的一部分。

19. 投影、视景体(Frustum)

• 我们在3D空间中使用笛卡尔坐标系绘制物体时，无论这个三维图像有多么真实，最终都是要显示到我们的二维屏幕上的，而将三维图像转换到二维屏幕就是投影。
• 如下图所示，是指绘制场景中摄像机的可见范围锥形范围，在这个范围内的物体是可见的，反之不可见。
  

• 透视投影

  • 近大远小，如上图视景体所示就是透视投影。

• 正投影

  • 或者叫平行投影，和透视投影不同在于，正投影没有近大远小的效果，其视景体是一个长方体。