《视觉开发专题》之 OpenGL 概述

小灰灰 2022-10-01 05:56 104阅读 0赞

这是 [**视觉专题**][Link 1] 的第一篇，将分为：

1.  **什么是 OpenGL**
2.  **OpenGL 语法说明**
3.  **OpenGL 渲染管线**
4.  **OpenGL 程序&渲染流程分析**

这几个小模块来一一介绍，阅读完本篇内容你将收获：

1.  **OpenGL 是什么**
2.  **OpenGL 渲染管线的工作流程**

友情提示：该篇文字较多，比较适合对 OpenGL 知之甚少的同学阅读，已经有相关经验的大佬可以溜了?，闲言少叙，直入正题。

注： 该专题如未特殊说明，默认使用**核心模式**，OpenGL 的版本在3.3以上即可。

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### 一：什么是 OpenGL ###

一般它被认为是一个**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（通过直接访问图形硬件设备的特性来实现）。事实上，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][Link 2](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（这里开发者通常是显卡的生产商）。

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即可。所以，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。

OpenGL 是使用客户端 - 服务端的形式实现的，我们编写的应用程序可以看做客户端，而计算机图形硬件厂商所提供的 OpenGL 实现可以看做服务端。我们编写的 OpenGL 命令，最终会被转换为相关的协议提交给服务端，然后被执行并产生图像内容。

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### 二：OpenGL 语法 ###

OpenGL 库中所有的函数都会以字符“gl”作为前缀，然后是个或多个大写字母开头的词组，以此来命名一个完成的函数（如 **glBinVertexArray()**）。除此之外你还会看到“glfw”开头的函数，它们来自第三方库 [GLFW][]，这是一个抽象化窗口管理和其他系统任务的开发库。类似的，还有“gl3w”开头的函数，它们来自三方库 [GL3W][]。后续会进一步展开讲这两个库的内容。

与函数命名约定类似，OpenGL 库中定义的常量采用“GL\_”开头，通过`#define`来完成常量的定义。为了方便在不同的操作系统之间移植 OpenGL 程序，OpenGL 还为函数定义了不同的数据类型，如`GLfloat`，所以最好统一使用 OpenGL 定义的数据类型，这样就不需要关心系统兼容性问题了。

由于 OpenGL 是一个 C 语言形式的库，因此它不能使用函数的重载来处理不同类型的数据，它通过函数名称的细微变化来实现同一类功能函数集的管理。举个例子：`glUniform2f()`与`glUniform3fv()`，前者的后缀`2f`表示这个函数需要两个`GLfloat` 类型的参数（以此类推，目前一共定义了24种不同的`glUniform*`()函数），后者的后缀多出的一个`v`是 vector 的缩写，即表示它需要传入一个包含三个 `GLfloat` 类型元素的一维数组作为参数。

所有可以作为后缀的字母，以及它们所对应的数据类型：

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### 三：OpenGL 渲染管线 ###

早期的（3.3版本以前） OpenGL 使用**立即渲染模式**(Immediate mode，即固定渲染管线)：OpenGL的大多数功能都被库隐藏起来，开发者很少能控制 OpenGL 计算的过程。固定渲染管线较容易使用和理解，但是效率太低且不够灵活。

当使用OpenGL的核心模式时，OpenGL 迫使我们使用现代的函数，现代函数具有更高的灵活性和效率性，也能让人更容易清楚 OpenGL 是如何运作的，更好的理解图形编程。但入门门槛也稍有增加。

我们通常所说的**渲染管线**(rendering pipeline)，它包含了两个部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。下图是 OpenGL4.5 版本的**管线**示意图：

OpenGL 首先接收用户提供的几何数据（顶点和几何图元），并且将它输入到一系列着色器阶段中进行处理，然后将处理后的数据送入光栅化单元(rasterizer)。光栅化单元负责对所有剪切区域内的图元生成片元数据，我们可以将一个片元视为一个“候选的像素”，然后对每个生成的片元都执行一个片元着色器，这一步会计算出这个片元的最终颜色。注意，即使在片元着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同，还会受 **深度**和 **混合**的影响，这个后面会详细讲。

我们可以通过控制我们需要的着色器来实现自己所需的功能，事实上，只有顶点着色器和片元着色器是必需的，细分和几何是可选的步骤。为了更好理解顶点着色器和片元着色器的分工和区别，可以总结为：**顶点着色（包括细分和几何着色）决定了一个图元应该位于屏幕的什么位置，而片元着色使用这些信息来决定某个片元的颜色应该是什么**。

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### 四：OpenGL 程序&渲染流程分析 ###

无论 OpenGL 的程序写的有多么庞大与复杂，它的基本结构通常都是类似的：

1.  初始化物体渲染所对应的状态。
2.  设置需要渲染的物体。

在上代码之前，咱们需要对必要的图形学名词有基本的理解。

*  **渲染**：计算机从模型到最终的图像创建的过程。OpenGL 只是计算机渲染系统的其中一种，基于光栅化的系统。
 *  **OpenGL 状态机**：可以看做一个上下文(context)，在调用任何 OpenGL 的指令之前，都需要先创建并进入这样的上下文中，它可以记录自己当前的状态，并能接收新的输入（调用 OpenGL 函数），当关闭了上下文，就不再接收输入。
 *  **着色器 (Shader)**：为**图形渲染管线**中的某个特定部分，将输入转化为输出的程序。在 OpenGL 中，会涉及到六种不同的着色阶段，其中最常用的包括**顶点着色器**以及**片元着色器**，前者用于处理顶点数据，后者用于处理光栅化后的片元数据。着色器运行在 GPU 上，在 OpenGL 使用它之前，必须经过编译并链接为一个**着色器程序对象**(Shader Program Object)。

一个简单顶点着色器的源代码示例：

void main(){
        gl_Position = ftransform();
    }
    复制代码

一个简单片元着色器的源代码示例：

void main() {
        gl_FragColor = vec4(1.0,0.5,0.2,1.0);
    }
    复制代码

它们都需要用 [GLSL][] (OpenGL Shading Language，着色器语言) 。

*  **标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates, NDC)**：一旦你的顶点坐标已经在顶点着色器中处理过，它们就应该是标准化设备坐标了，标准化设备坐标是一个x、y和z值在-1.0到1.0的一小段空间。任何落在范围外的坐标都会被丢弃/裁剪，不会显示在你的屏幕上。
 *  **像素**：显示器上最小的可见单元。
 *  **帧缓存**：保存着所有计算机生成的图像的像素点，它是由图形硬件设备管理的一块独立内存区域，可以直接映射到最终的显示设备上。
 *  **顶点缓冲对象**：Vertex Buffer Object，**VBO**. 管理着在GPU内存（通常被称为显存）中，一块储存着大量顶点数据的内存。因为从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。
 *  **顶点数组对象**：Vertex Array Object，**VAO**. 可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个 VAO 中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的 VAO 就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单。
    
    当你打算绘制多个物体时，你首先要生成/配置所有的VAO（和必须的VBO及属性指针)，然后储存它们供后面使用。当我们打算绘制物体的时候就拿出相应的VAO，绑定它，绘制完物体后，再解绑VAO。
 *  **索引缓冲对象**：Element Buffer Object，EBO或Index Buffer. Object，IBO. 专门储存顶点绘制的索引，OpenGL调用这些顶点的索引来决定该绘制哪个顶点。由于三角形是绘制的基本图形，对于一些复杂图形会存在很多三角形（共用边）的顶点重合问题，该索引就是为了解决此问题，避免顶点数据重复造成的资源浪费。

我结合学习资源写了一份简单的 OpenGL [示例程序][Link 3] 给你作参考，附有比较详细的渲染流程分析，需要的同学自取，这里就不占篇幅粘代码了。用 Xcode 打开程序直接 Run， 就可以看到该效果：

这份 Demo 使用了可编程渲染管线，自定义了简单的着色器，用两个着色器程序、两个VAO和VBO，画两个颜色不一样的三角形。初学者不需要搞清楚每一步的原理，先对 OpenGL 的语法和基本结构有个初步的了解就行。

### 总结 ###

枯燥的概念和晦涩的专业术语很容易让初学者望而生畏，所以此篇我只选了一些必要的概念，做了简要的介绍。建议结合文中提供的[源码][Link 3]，把上面涉及到的步骤一一拆解，进而加深对相关概念以及 OpenGL 工作流程的理解。

近来因工作和身体原因，文章更新滞后了两周有余，现已恢复正常。

下一篇文章将使用**固定管线**来完成一些动画效果，顺带介绍涉及到的 OpenGL 知识，这样更便于理解。

转载于:https://juejin.im/post/5cd7d97af265da03555c9cb1

[Link 1]: https://juejin.im/post/5cbc6847f265da03b446101e
[Link 2]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.khronos.org%2Fopengl%2F
[GLFW]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.glfw.org%2F
[GL3W]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fskaslev%2Fgl3w
[GLSL]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.khronos.org%2Fopengl%2Fwiki%2FCore_Language_%28GLSL%29
[Link 3]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2FEnjoyCoding007%2FOpenGL-Simple-Demo