OpenGL 图形库使用(二) —— 渲染模式、对象、扩展和状态机

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刀客传奇
2017.07.23 00:10* 字数 2237

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V1.0 2017.07.22

前言

OpenGL 图形库项目中一直也没用过,最近也想学着使用这个图形库,感觉还是很有意思,也就自然想着好好的总结一下。
1. OpenGL 图形库使用(一) —— 概念基础

深入认识OpenGL ES

它是一个API(Application Programming Interface, 应用程序编程接口),包含了一系列可以操作图形、图像的函数。然而,OpenGL本身并不是一个API,它仅仅是一个由Khronos组织制定并维护的规范(Specification)

OpenGL规范严格规定了每个函数该如何执行,以及它们的输出值。至于内部具体每个函数是如何实现(Implement)的,将由OpenGL库的开发者自行决定。因为OpenGL规范并没有规定实现的细节,具体的OpenGL库允许使用不同的实现,只要其功能和结果与规范相匹配(亦即,作为用户不会感受到功能上的差异)。实际的OpenGL库的开发者通常是显卡的生产商。你购买的显卡所支持的OpenGL版本都为这个系列的显卡专门开发的。当你使用Apple系统的时候,OpenGL库是由Apple自身维护的。在Linux下,有显卡生产商提供的OpenGL库,也有一些爱好者改编的版本。这也意味着任何时候OpenGL库表现的行为与规范规定的不一致时,基本都是库的开发者留下的bug

所有版本的OpenGL规范文档都被公开的寄存在Khronos那里。

OpenGL ES 3.0主要新功能有:

  • 渲染管线多重增强,实现先进视觉效果的加速,包括遮挡查询(Occlusion Query)变缓反馈(Transform Feedback)实例渲染(Instanced Rendering)、四个或更多渲染目标支持。
  • 高质量ETC2/EAC纹理压缩格式成为一项标准功能,不同平台上不再需要需要不同的纹理集。
  • 新版GLSL ES 3.0着色语言,全面支持整数和32位浮点操作。
  • 纹理功能大幅增强,支持浮点纹理、3D纹理、深度纹理、顶点纹理、NPOT纹理、R/RG单双通道纹理、不可变纹理、2D阵列纹理、无二次幂限制纹理、阴影对比、调配(swizzle)、LOD与mip level clamps、无缝立方体贴图、采样对象、纹理MSAA抗锯齿渲染器。
  • 一系列广泛的精确尺寸纹理和渲染缓冲格式,便携移动应用更简单。

在ios上,可以支持openGL ES 3.0的最低环境是iphone5s ios 7.0


核心模式与立即渲染模式

下面我们就看一下渲染模式。

早期的OpenGL使用立即渲染模式(Immediate mode,也就是固定渲染管线),这个模式下绘制图形很方便。OpenGL的大多数功能都被库隐藏起来,开发者很少能控制OpenGL如何进行计算的自由。而开发者迫切希望能有更多的灵活性。随着时间推移,规范越来越灵活,开发者对绘图细节有了更多的掌控。立即渲染模式确实容易使用和理解,但是效率太低。因此从OpenGL3.2开始,规范文档开始废弃立即渲染模式,并鼓励开发者在OpenGL的核心模式(Core-profile)下进行开发,这个分支的规范完全移除了旧的特性。

当使用OpenGL的核心模式时,OpenGL迫使我们使用现代的函数。当我们试图使用一个已废弃的函数时,OpenGL会抛出一个错误并终止绘图。现代函数的优势是更高的灵活性和效率,然而也更难于学习。立即渲染模式从OpenGL实际运作中抽象掉了很多细节,因此它在易于学习的同时,也很难让人去把握OpenGL具体是如何运作的。现代函数要求使用者真正理解OpenGL和图形编程,它有一些难度,然而提供了更多的灵活性,更高的效率,更重要的是可以更深入的理解图形编程。

当使用新版本的OpenGL特性时,只有新一代的显卡能够支持你的应用程序。这也是为什么大多数开发者基于较低版本的OpenGL编写程序,并只提供选项启用新版本的特性。


扩展

OpenGL的一大特性就是对扩展(Extension)的支持,当一个显卡公司提出一个新特性或者渲染上的大优化,通常会以扩展的方式在驱动中实现。如果一个程序在支持这个扩展的显卡上运行,开发者可以使用这个扩展提供的一些更先进更有效的图形功能。通过这种方式,开发者不必等待一个新的OpenGL规范面世,就可以使用这些新的渲染特性了,只需要简单地检查一下显卡是否支持此扩展。通常,当一个扩展非常流行或者非常有用的时候,它将最终成为未来的OpenGL规范的一部分。

使用扩展的代码大多看上去如下:

if(GL_ARB_extension_name)
{
    // 使用硬件支持的全新的现代特性
}
else
{
    // 不支持此扩展: 用旧的方式去做
}


状态机

OpenGL自身是一个巨大的状态机(State Machine):一系列的变量描述OpenGL此刻应当如何运行。OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。我们通常使用如下途径去更改OpenGL状态:设置选项,操作缓冲。最后,我们使用当前OpenGL上下文来渲染。

假设当我们想告诉OpenGL去画线段而不是三角形的时候,我们通过改变一些上下文变量来改变OpenGL状态,从而告诉OpenGL如何去绘图。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段,下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

当使用OpenGL的时候,我们会遇到一些状态设置函数(State-changing Function),这类函数将会改变上下文。以及状态使用函数(State-using Function),这类函数会根据当前OpenGL的状态执行一些操作。只要你记住OpenGL本质上是个大状态机,就能更容易理解它的大部分特性。


对象

OpenGL库是用C语言写的,同时也支持多种语言的派生,但其内核仍是一个C库。由于C的一些语言结构不易被翻译到其它的高级语言,因此OpenGL开发的时候引入了一些抽象层。“对象(Object)”就是其中一个。

在OpenGL中一个对象是指一些选项的集合,它代表OpenGL状态的一个子集。比如,我们可以用一个对象来代表绘图窗口的设置,之后我们就可以设置它的大小、支持的颜色位数等等。可以把对象看做一个C风格的结构体(Struct)

struct object_name 
{
    float  option1;
    int    option2;
    char[] name;
};

当我们使用一个对象时,通常看起来像如下一样(把OpenGL上下文看作一个大的结构体)。

// OpenGL的状态
struct OpenGL_Context {
    ...
    object* object_Window_Target;
    ...     
};

// 创建对象
unsigned int objectId = 0;
glGenObject(1, &objectId);
// 绑定对象至上下文
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, objectId);
// 设置当前绑定到 GL_WINDOW_TARGET 的对象的一些选项
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_WIDTH, 800);
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_HEIGHT, 600);
// 将上下文对象设回默认
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, 0);

这一小段代码展现了你以后使用OpenGL时常见的工作流。我们首先创建一个对象,然后用一个id保存它的引用(实际数据被储存在后台)。然后我们将对象绑定至上下文的目标位置(例子中窗口对象目标的位置被定义成GL_WINDOW_TARGET)。接下来我们设置窗口的选项。最后我们将目标位置的对象id设回0,解绑这个对象。设置的选项将被保存在objectId所引用的对象中,一旦我们重新绑定这个对象到GL_WINDOW_TARGET位置,这些选项就会重新生效。

使用对象的一个好处是在程序中,我们不止可以定义一个对象,并设置它们的选项,每个对象都可以是不同的设置。在我们执行一个使用OpenGL状态的操作的时候,只需要绑定含有需要的设置的对象即可。

参考资源

1. LearnOpenGL
2. opengl.org:OpenGL官方网站。
3. OpenGL registry:包含OpenGL各版本的规范和扩展。

后记

未完,待续~~~

OC
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