iOS 视觉特效二浅谈OpenGL专业名词

图形API

要了解OpenGL，首先需要知道什么是图形API。简单解释图形API就是图形的底层渲染实现方法。并且它是iOS开发者唯⼀接近GPU的⽅式。以下介绍OpenGL、OpenGL ES、DirectX、Metal图形API，而本文目的是记录OpenGL相关名词解释，加深自己理解，提供交流学习！
• $\color{red}{OpenGL}$ （Open Graphics Library）：是一个 $\color{red}{跨编程语言、跨平台}$ 的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象成一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。
• $\color{red}{OpenGL ES}$ （OpenGL for Embedded Systems）：是 OpenGL 三维图形 API 的 $\color{red}{⼦集}$ ，针对⼿机、PDA和游戏主机等嵌⼊式设备⽽设计，去除了许多不必要和性能较低的API接⼝。
• $\color{red}{DirectX}$ ：是由很多API组成的，DirectX并不是⼀个单纯的图形API。最重要的是DirectX是属于Windows上⼀个多媒体处理框架，并且不⽀持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。
• $\color{red}{Metal}$ ：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渲染而推出的框架。

OpenGL专业名词

1.OpenGL 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。状态机具有：1、记忆功能；2、修改功能；3、停机功能。还是以计算器计算为例：计算器输入1+2+3-1x1，先执行1x1状态，然后记忆下1x1的结果，变成1+2+3-1，然后1+2的状态修改为3并保存下来，以此类推得到状态5，停止计算，直到继续输入计算。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。

2.OpenGL 上下⽂ ( context )

在应用程序调用任何OpenGL的指令之前，⾸先会创建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。因为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，所以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，这样更加合理高效。
打个比方OpenGL 上下⽂ ( context )就是计算器计算一个结果的加、减、乘、除过程，计算结果就是你想要的图形，而这个计算过程就是OpenGL 上下⽂ ( context )。比如1+7=8；2*4=8。其中1，7，2，4就是OpenGL中的各种状态的对象，加和乘就是context，结果8就是最终你想要的图形。

3.渲染

渲染：将图形或者图像数据转换成2D空间图像显示到屏幕的操作叫做渲染(Rendering)。

4.顶点数组`( VertexArray )` 和顶点缓冲区`（ VertexBuffer )`

• OpenGL中的图像是由图元组成，在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三⻆形。而图像的轮廓就是顶点数据，比如三角形就是三个顶点数据。在绘制图像时将这些顶点数据存储在内存当中，我们称为 $\color{red}{顶点数组}$ 。
• 为提高性能，提前分配⼀块显存预存存入顶点数据，这部分的显存，就被称为 $\color{red}{顶点缓冲区}$ 。

5.管线

OpenGL按照顺序一个一个节点渲染图形，这样的操作可以称之为 $\color{red}{管线}$ 。比如工厂生产肥皂🧼，由原料-->肥皂水-->模具-->肥皂块的顺序过程就是。

6.固定管线/存储着⾊器

经过封装的，不可改变的着色器程序块称为 $\color{red}{固定管线}$ 。比如管线举例的模具固定为方形的，因为成本和需求原因不能改成三角形或五角星。

7.可编程管线

与固定管线相反，可以编程的着色器程序块，叫做可编程管线。

8.着⾊器程序`（Shader）`

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）。
• 顶点着⾊器（VertexShader）是OpenGL中⽤于计算顶点属性（确定位置、缩放、平移、旋转）的程序。每个顶点数据都会执⾏⼀次顶点着⾊器。
• 片元着色器（FragmentShader）是OpenGL中⽤于计算⽚段（像素）颜⾊的程序。

9.GLSL`(OpenGL Shading Language)`

GLSL(OpenGL Shading Language)即是自定义且短小的用来在OpenGL中着色编程语言。

10.光栅化`（Rasterization）`

• 将顶点数据转换为⽚元的过程；
• 将⼏何图元变为⼆维图像的过程；
• 将模拟信号转化为离散信号的过程。

11.纹理

可以理解为图⽚，但是在OpenGL，我们更加习惯叫纹理！

12.混合`（Blending)`

多颜色像素合并在一起的过程称为混合。

13.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。

14.投影矩阵`（Projection）`

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。

15.渲染上屏/交换缓冲区`（SwapBuffer）`

屏幕显示的图像是通过窗口渲染缓冲区映射，每个窗口只有一个缓冲区，如果屏幕刷新，窗口就会显示不完整的图像。为解决此问题，常规的OpenGL程序⾄少都会有两个缓冲区：1.显示在屏幕上的称为屏幕缓冲区；2.没有显示的称为离屏缓冲区。它们不断切换的行为，就是交换缓冲区。

16.垂直同步信号

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。

17.三缓冲区技术

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。

18.坐标系

OpenGL坐标变换全局图

image.png

物体坐标，以物体为基准的坐标系。
世界坐标，以全局为基准的坐标系。
惯性坐标，用于做转换运算：物体坐标 <=> 惯性坐标 <=> 世界坐标。
- 惯性坐标的原点和物体坐标一致，两坐标系通过旋转转换。
- 惯性坐标的X轴Y轴与世界坐标水平，两坐标系通过平移转换。
视窗坐标，我们手机窗口对应的坐标系统，以左上角为原点(0,0)，右下角对应我们手机最大像素集合，如果手机像素为1334*750，则右下角坐标为(1334,750)。
规格化设备坐标，是以屏幕中心为原点，X轴朝右，Y轴朝上，所以左下角的坐标为(-1,-1)，右上角坐标为(1,1)。在规格化设备坐标系需要考虑Z轴，需要将一个平面的思维转为立体，原点是(0,0,0)即立方体中心点。
视觉坐标，是从我们眼睛出发朝我们的手机设备看过去的坐标，会有一个Z轴最远最近距离，只有在这两者之间并且满足X轴和Y轴坐标在屏幕当中的坐标才会显示，越远的显示越小，产生透视效果。

iOS 视觉特效二 浅谈OpenGL专业名词