iOS------OpenGL 图形专有名词与坐标解析

一.OpenGL简介

OpenGL(英语:Open Graphics Library,译名:开放图形库或者“开放式图形库”)是用于渲染2D3D矢量图形的跨语言跨平台应用程序编程接口(API)。它将计算机的资源抽象称为⼀个个OpenGL的对象,对这些资源的操作抽象为⼀个个的OpenGL指令,开发者可以在mac程序中使用OpenGl来实现图形渲染。图形API的目的就是实现图形的底层渲染,比如游戏场景/游戏人物的渲染,音视频解码后数据的渲染,地图上的渲染,动画绘制等。在iOS开发中,开发者唯一能够GPU的就是图形API。(GPU---图形处理器(英语:Graphics Processing Unit,缩写:GPU),又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑智能手机等)上做图像和图形相关运算工作的微处理器。)

二.OpenGL专业名词解析

    1.OpenGL 上下⽂( context )

        OpenGL Context,中文解释就是OpenGL的上下文,因为OpenGL没有窗口的支持,我们在使用OpenGl的时候,一般是在main函数创建窗口: 

        //GLUT窗口大小、窗口标题

        glutInitWindowSize(800, 600);

        glutCreateWindow("Triangle");

        然后我们在创建的窗口里面绘制,个人理解上下文的意思就是指的是OpenGL的作用范围,当然OpenGL的Context不只是这个窗口,这个窗口我们可以理解为OpenGL的default framebuffer,所以Context还包含关于这个framebuffer的一些参数设置信息,具体内容可以查看OpenGL的Context的结构体,Context记录了OpenGL渲染需要的所有信息,它是一个大的结构体,它里面记录了当前绘制使用的颜色、是否有光照计算以及开启的光源等非常多我们使用OpenGL函数调用设置的状态和状态属性等等,你可以把它理解为是一个巨大的状态机,它里面保存OpenGl的指令,在图形渲染的时候,可以理解为这个状态机开始工作了,对某个属性或者开关发出指令。它的特点就是:有记忆功能,接收输入,根据输入的指令,修改当前的状态,并且可以输出内容,当停机的时候不再接收指令。

2.渲染

        渲染就是把数据显示到屏幕上,在OpenGl中,渲染指的是将图形/图像数据转换为2D空间图像操作叫渲染

3.顶点数组/顶点缓冲区

        在OpenGL中,基本图元有三种:点,线,三角形,复杂的图形由这三种图元组成,我们在画点/线/三角形的时候是不是应该先知道每个顶点的坐标,而这些坐标放在数组里,就叫顶点数组。顶点数组存在内存当中,但是为了提高性能,提前分配一块显存,将顶点数组预先存入到显存当中,这部分的显存就叫顶点缓冲区。

4.着色器(shader)

        为什么要使用着色器?我们知道,OpenGL一般使用经典的固定渲染管线来渲染对象,OpenGL在实际调⽤绘制函数之前,还需指定⼀个由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(顶点着色器和片段/片元着色器会在下面讲解)

5.管线

        OpenGL在渲染图形/图像的时候是按照特定的顺序来执行的,不能修改打破,管线的意思个人理解是读取顶点数据—>顶点着色器—>组装图元—>光栅化图元—>片元着色器—>写入帧缓冲区—>显示到屏幕上,类似这样的流水线,当图像/图形显示到屏幕上,这一条管线完成工作。下面是分步讲解:

       (1)读取顶点数据指的是将待绘制的图形的顶点数据传递给渲染管线中。

        (2)顶点着色器最终生成每个定点的最终位置,执行顶点的各种变换,它会针对每个顶点执行一次,确定了最终位置后,OpenGL就可以把这些顶点集合按照给定的参数类型组装成点,线或者三角形。

      (3)组装图元阶段包括两部分:图元的组装和图元处理,图元组装指的是顶点数据根据设置的绘制方式参数结合成完整的图元,例如点绘制方式中每个图元就只包含一个点,线段绘制方式中每个图源包含两个点;图元处理主要是剪裁以使得图元位于视景体内部的部分传递到下一个步骤,视景体外部的部分进行剪裁。视景体的概念与投影有关。

      (4)光栅化图元主要指的是将一个图元离散化成可显示的二维单元片段,这些小单元称为片元。一个片元对应了屏幕上的一个或多个像素,片元包括了位置,颜色,纹理坐标等信息,这些值是由图元的顶点信息进行插值计算得到的。

      (5)片元着色器为每个片元生成最终的颜色,针对每个片元都会执行一次。一旦每个片元的颜色确定了,OpenGL就会把它们写入到帧缓冲区中。

6.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。

7.片元着色器(片段着色器)

        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

8.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

9.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

10.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,个人理解有点像iOS给RGB中红,绿,蓝设置不同的值得到不同的颜色,只是这里是操作片元着色器,来达到不同的显示。

11.变换矩阵(Transformation)/投影矩阵Projection 

        在iOS核心动画中我们也会和矩阵打交到,变换矩阵顾名思义就是对图像/图形的放大/缩小/平移/选装等座处理。

        投影矩阵就是⽤于将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    

12.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

13.坐标系

      OpenGl常见的坐标系有:

        1. Object or model coordinates(物体或模型坐标系)每一个实物都有自己的坐标系,在高中数学中,以自身建立的坐标系,自身坐标系由世界坐标系平移而来

        2. World coordinates(世界坐标系)个人理解为地球相对自己建立的坐标系,地球上所有生物都处于这个坐标系当中

        3. Eye (or Camera) coordinates(眼(或相机)坐标系)

        4. Normalized device coordinates(标准化的设备坐标系)

        5. Window (or screen) coordinates(.窗口(或屏幕)坐标系)个人理解为iOS下

        6.Clip coordinates(裁剪坐标系)主要作用是当图形/图像超出时,按照这个坐标系裁剪,裁剪好之后转换到screen坐标系

14.正投影/透视投影

        正投影:类似于照镜子,1:1形成图形大小,这里不做重点讲解

        透视投影:在OpenGL中,如果想对模型进行操作,就要对这个模型的状态(当前的矩阵)乘上这个操作对应的一个矩阵.如果乘以变换矩阵(平移, 缩放, 旋转), 那相乘之后, 模型的位置被变换;如果乘以投影矩阵(将3D物体投影到2D平面), 相乘后, 模型的投影方式被设置;如果乘以纹理矩阵(), 模型的纹理方式被设置.而用来指定乘以什么类型的矩阵, 就是glMatriMode(GLenummode);glMatrixMode有3种模式: GL_PROJECTION 投影, GL_MODELVIEW 模型视图, GL_TEXTURE 纹理.所以,在操作投影矩阵以前,需要调用函数:glMatrixMode(GL_PROJECTION); //将当前矩阵指定为投影矩阵然后把矩阵设为单位矩阵






作者:枫紫
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