《視覺開發專題》之 OpenGL 概述

時間 2019-11-06

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這是 視覺專題 的第一篇，將分爲：git

什麼是 OpenGL
OpenGL 語法說明
OpenGL 渲染管線
OpenGL 程序&渲染流程分析

這幾個小模塊來一一介紹，閱讀完本篇內容你將收穫：github

OpenGL 是什麼
OpenGL 渲染管線的工做流程

友情提示：該篇文字較多，比較適合對 OpenGL 知之甚少的同窗閱讀，已經有相關經驗的大佬能夠溜了😝，閒言少敘，直入正題。編程

注：該專題如未特殊說明，默認使用核心模式，OpenGL 的版本在3.3以上便可。數組

一：什麼是 OpenGL

通常它被認爲是一個API (Application Programming Interface, 應用程序編程接口)，包含了一系列能夠操做圖形、圖像的函數（經過直接訪問圖形硬件設備的特性來實現）。事實上，OpenGL 自己並非一個API，它僅僅是一個由 Khronos 組織制定並維護的規範(Specification)。緩存

OpenGL 規範嚴格規定了每一個函數該如何執行，以及它們的輸出值。至於內部具體每一個函數是如何實現(Implement)的，將由 OpenGL 庫的開發者自行決定（這裏開發者一般是顯卡的生產商）。bash

由於 OpenGL 規範並無規定實現的細節，具體的 OpenGL 庫容許使用不一樣的實現，只要其功能和結果與規範相匹配便可。因此，當你使用 Apple 系統的時候，OpenGL 庫是由 Apple 自身維護的。在 Linux 下，有顯卡生產商提供的 OpenGL 庫，也有一些愛好者改編的版本。這也意味着任什麼時候候 OpenGL 庫表現的行爲與規範規定的不一致時，基本都是庫的開發者留下的bug。函數

OpenGL 是使用客戶端 - 服務端的形式實現的，咱們編寫的應用程序能夠看作客戶端，而計算機圖形硬件廠商所提供的 OpenGL 實現能夠看作服務端。咱們編寫的 OpenGL 命令，最終會被轉換爲相關的協議提交給服務端，而後被執行併產生圖像內容。post

二：OpenGL 語法

OpenGL 庫中全部的函數都會以字符「gl」做爲前綴，而後是個或多個大寫字母開頭的詞組，以此來命名一個完成的函數（如 glBinVertexArray()）。除此以外你還會看到「glfw」開頭的函數，它們來自第三方庫 GLFW，這是一個抽象化窗口管理和其餘系統任務的開發庫。相似的，還有「gl3w」開頭的函數，它們來自三方庫 GL3W。後續會進一步展開講這兩個庫的內容。學習

與函數命名約定相似，OpenGL 庫中定義的常量採用「GL_」開頭，經過#define來完成常量的定義。爲了方便在不一樣的操做系統之間移植 OpenGL 程序，OpenGL 還爲函數定義了不一樣的數據類型，如GLfloat，因此最好統一使用 OpenGL 定義的數據類型，這樣就不須要關心繫統兼容性問題了。動畫

因爲 OpenGL 是一個 C 語言形式的庫，所以它不能使用函數的重載來處理不一樣類型的數據，它經過函數名稱的細微變化來實現同一類功能函數集的管理。舉個例子：glUniform2f()與glUniform3fv()，前者的後綴2f表示這個函數須要兩個GLfloat 類型的參數（以此類推，目前一共定義了24種不一樣的glUniform*()函數），後者的後綴多出的一個v是 vector 的縮寫，即表示它須要傳入一個包含三個 GLfloat 類型元素的一維數組做爲參數。

全部能夠做爲後綴的字母，以及它們所對應的數據類型：

三：OpenGL 渲染管線

早期的（3.3版本之前） OpenGL 使用當即渲染模式(Immediate mode，即固定渲染管線)：OpenGL的大多數功能都被庫隱藏起來，開發者不多能控制 OpenGL 計算的過程。固定渲染管線較容易使用和理解，可是效率過低且不夠靈活。

當使用OpenGL的核心模式時，OpenGL 迫使咱們使用現代的函數，現代函數具備更高的靈活性和效率性，也能讓人更容易清楚 OpenGL 是如何運做的，更好的理解圖形編程。但入門門檻也稍有增長。

咱們一般所說的渲染管線(rendering pipeline)，它包含了兩個部分：第一部分把你的3D座標轉換爲2D座標，第二部分是把2D座標轉變爲實際的有顏色的像素。下圖是 OpenGL4.5 版本的管線示意圖：

OpenGL 首先接收用戶提供的幾何數據（頂點和幾何圖元），而且將它輸入到一系列着色器階段中進行處理，而後將處理後的數據送入光柵化單元(rasterizer)。光柵化單元負責對全部剪切區域內的圖元生成片元數據，咱們能夠將一個片元視爲一個「候選的像素」，而後對每一個生成的片元都執行一個片元着色器，這一步會計算出這個片元的最終顏色。注意，即便在片元着色器中計算出來了一個像素輸出的顏色，在渲染多個三角形的時候最後的像素顏色也可能徹底不一樣，還會受深度和混合的影響，這個後面會詳細講。

咱們能夠經過控制咱們須要的着色器來實現本身所需的功能，事實上，只有頂點着色器和片元着色器是必需的，細分和幾何是可選的步驟。爲了更好理解頂點着色器和片元着色器的分工和區別，能夠總結爲：頂點着色（包括細分和幾何着色）決定了一個圖元應該位於屏幕的什麼位置，而片元着色使用這些信息來決定某個片元的顏色應該是什麼。

四：OpenGL 程序&渲染流程分析

不管 OpenGL 的程序寫的有多麼龐大與複雜，它的基本結構一般都是相似的：

初始化物體渲染所對應的狀態。
設置須要渲染的物體。

在上代碼以前，我們須要對必要的圖形學名詞有基本的理解。

渲染：計算機從模型到最終的圖像建立的過程。OpenGL 只是計算機渲染系統的其中一種，基於光柵化的系統。
OpenGL 狀態機：能夠看作一個上下文(context)，在調用任何 OpenGL 的指令以前，都須要先建立並進入這樣的上下文中，它能夠記錄本身當前的狀態，並能接收新的輸入（調用 OpenGL 函數），當關閉了上下文，就再也不接收輸入。
着色器 (Shader)：爲圖形渲染管線中的某個特定部分，將輸入轉化爲輸出的程序。在 OpenGL 中，會涉及到六種不一樣的着色階段，其中最經常使用的包括頂點着色器以及片元着色器，前者用於處理頂點數據，後者用於處理光柵化後的片元數據。着色器運行在 GPU 上，在 OpenGL 使用它以前，必須通過編譯並連接爲一個着色器程序對象(Shader Program Object)。

一個簡單頂點着色器的源代碼示例：

void main(){
    gl_Position = ftransform();
}
複製代碼

一個簡單片元着色器的源代碼示例：

void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0,0.5,0.2,1.0);
}
複製代碼

它們都須要用 GLSL (OpenGL Shading Language，着色器語言) 。

標準化設備座標(Normalized Device Coordinates, NDC)：一旦你的頂點座標已經在頂點着色器中處理過，它們就應該是標準化設備座標了，標準化設備座標是一個x、y和z值在-1.0到1.0的一小段空間。任何落在範圍外的座標都會被丟棄/裁剪，不會顯示在你的屏幕上。
像素：顯示器上最小的可見單元。
幀緩存：保存着全部計算機生成的圖像的像素點，它是由圖形硬件設備管理的一塊獨立內存區域，能夠直接映射到最終的顯示設備上。
頂點緩衝對象：Vertex Buffer Object，VBO. 管理着在GPU內存（一般被稱爲顯存）中，一塊儲存着大量頂點數據的內存。由於從CPU把數據發送到顯卡相對較慢，因此只要可能咱們都要嘗試儘可能一次性發送儘量多的數據。
頂點數組對象：Vertex Array Object，VAO. 能夠像頂點緩衝對象那樣被綁定，任何隨後的頂點屬性調用都會儲存在這個 VAO 中。這樣的好處就是，當配置頂點屬性指針時，你只須要將那些調用執行一次，以後再繪製物體的時候只須要綁定相應的 VAO 就好了。這使在不一樣頂點數據和屬性配置之間切換變得很是簡單。

當你打算繪製多個物體時，你首先要生成/配置全部的VAO（和必須的VBO及屬性指針)，而後儲存它們供後面使用。當咱們打算繪製物體的時候就拿出相應的VAO，綁定它，繪製完物體後，再解綁VAO。
索引緩衝對象：Element Buffer Object，EBO或Index Buffer. Object，IBO. 專門儲存頂點繪製的索引，OpenGL調用這些頂點的索引來決定該繪製哪一個頂點。因爲三角形是繪製的基本圖形，對於一些複雜圖形會存在不少三角形（共用邊）的頂點重合問題，該索引就是爲了解決此問題，避免頂點數據重複形成的資源浪費。