iOS中的OpenGL:基础概念

图形API简介

  • OpenGL (Open Graphics Library)是⼀一个跨编程语⾔言、跨平台的编程图形程序接口,它将计算机的资源抽象称为⼀个OpenGL的对象,对这些资源的操作抽象为⼀个个的OpenGL指令
  • OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)是 OpenGL 三维图形 API 的⼦集,针对手机、 PDA和游戏主机等嵌⼊入式设备而设计,去除了了许多不必要和性能较低的API接口。
  • 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.并不不⽀支持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、输⼊入部分和⽹络部分.
  • 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。

iOS中OpenGL扮演的角色

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图形API能干什么

  • 游戏开发中,渲染游戏人物、游戏场景
  • 音视频开发中,对解码后的数据进行渲染
  • 地图开发中,对地图上的数据渲染
  • 在动画中,实现动画绘制
  • 处理视频时,进行添加滤镜效果

无论是OpenGL 还是 OpenGL ES 或者 Metal ,本质上还是利用GPU来进行高效的渲染图形图像。
换句话说图形API,是我们iOS开发者唯一接近GPU的方式。

OpenGL 专业名词

OpenGL 状态机

首先,“状态机”这个东西是什么,学过编译原理的同学,一定听过或了解这三个字。状态机是有限状态自动机的简称,是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。

如果说下图“自动门”是个状态机,他 记忆 了open和close状态,知道自己处在不同状态时,下一步要干什么,是“开门”还是“关门”。 当在close状态时,你 输入 一个开门的信号,他就会切换成open状态

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状态机的特点:

  • 可以记忆状态,记忆当前的状态
  • 可以接受输入,并根据当前状态作出改变,切换状态,并可以有输出
  • 状态机停止后,不再接收输入,停止工作

回到 OpenGL 状态机:

  • OpenGL可以记录自己的状态:当前使用的颜色,是否开启了混合等情况
  • OpenGL可以接受输入,(调用OpenGL的方法,可以看作是输入),
  • OpenGL可以进入停止状态,不再接收输入。

渲染 将图形/图像数据转成2D空间图像的操作叫渲染

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,然后再往骨架里填充颜色,OpenGL也是如此。顶点数据 就是要画的图像的骨架,和现实世界不同的是,OpenGL里的图像是由图元构成,(什么是图元?点,线,三角形)。这些顶点数据存在何处?开发者可以选择设定函数指针,在调用绘制方法前,从内存传入,也就是先存在内存中,被称为 顶点数组 。而为了高性能,提前分配一块显存,将顶点数据传入显存,这块显存也被称为 顶点缓冲区
  • 顶点是指我们在绘制一个图形时,各个顶点的位置数据。而这个(些)数据可以存入数组或直接缓存到GPU中。

着色器

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  • 在OpenGL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。常见的着色器有:顶点着色器(VertexShader),片元着色器(FragmentShader)/像素着色器(PixelShader),几何着色器(GeometryShader),曲面细分着色器(TessellationShader)。片元着色器和像素着色器是在OpenGL和DX中的不同叫法,但是直到OpenGL ES 3.0 ,依然只支持两个基础的顶点着色器和片元着色器。
  • OpenGL在处理Shader时,也是通过编译、链接生成着色器程序(glProgram),着色器程序同时包含顶点着色器和片元着色器的运算逻辑。OpenGL进行绘制时,先传入顶点数据,由顶点着色器运算,将顶点转化成图元,再通过图元装配连接线条,再进行光栅化,将图元这种矢量转成栅格化数据,最后将栅格化数据传入片元着色器进行运算。片元着色器会对栅格化数据的每一个像素进行位运算,决定每一个像素的颜色。

顶点着色器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。

片元着色器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着⾊色语⾔言(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)

光栅化Rasterization

  • 是把顶点数据转成片元的过程,具有将图转成一个个栅格的作用,特点是每个元素对应帧缓冲区的每一个像素。
  • 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。
  • 是一个将模拟信号转成离散信号的过程

纹理

图位>-gnp 张一示显端动移 SE LGnepO 件文理纹 agt. LGnepO 图位>-缩压

变换矩阵

当图形图像想发生平移、缩放、旋转等变换,需要使用变换矩阵

投影矩阵

将3D坐标转成2纬屏幕坐标。

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,如果每个窗口只有一个渲染缓冲区,那么在绘制过程中屏幕进行了刷新,窗口可能显示不出完整的图像
  • 为了解决这个问题,常规的OpenGL会有两个缓冲区: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
  • 由于显示器的刷新是逐行进行的,因此为了防止交换缓冲区的时候出现两个缓冲区的内容,因此交换一般等待显示器刷新完成的信号,在显示器两次刷新的间隔中间进行交换,这个信号就是垂直同步信号,这个技术就是垂直同步
  • 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才能进行下一帧的渲染,使得帧率无法达到硬件的最高水平。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进行交换,实现充分利用硬件性能的目的
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