iOS 渲染学习（一）

iOS 渲染学习（一）

相关名词

OpenGL（Open Graphics Library)

是⼀个跨编程语⾔、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

是 OpenGL 三维图形 API 的⼦集，针对⼿机、PDA和游戏主机等嵌⼊式设备⽽设计，去除了许多不必要和性能较低的API接⼝。

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
注：冲上面的概念可以知道用于手机端开发的只有OpenGL ES 和Metal(只用在苹果手机)，但是又因为OpenGL ES其实就是OpenGL的子集，所以对于手机开发者来说主要学会OpenGL OpenGL ES Metal就行（Android可以不学习Metal）

上下文(context）

• 在应⽤程序调⽤任何OpenGL的指令之前，需要安排⾸先创建⼀个OpenGL的上下⽂。这个上下⽂是⼀个⾮常庞⼤的状态机，保存了OpenGL中的各种状 态，这也是OpenGL指令执⾏的基础
• OpenGL的函数不管在哪个语⾔中，都是类似C语⾔⼀样的⾯向过程的函数，本质上都是对OpenGL上下⽂这个庞⼤的状态机中的某个状态或者对象进⾏操作，当然你得⾸先把这个对象设置为当前对象。因此，通过对 OpenGL指令的封装，是可以将OpenGL的相关调⽤封装成为⼀个⾯向对象的图形API的
• 由于OpenGL上下⽂是⼀个巨⼤的状态机，切换上下⽂往往会产⽣较⼤的开销，但是不同的绘制模块，可能需要使⽤完全独⽴的状态管理。因此，可以在应⽤程序中分别创建多个不同的上下⽂，在不同线程中使⽤不同的上下⽂，上下⽂之间共享纹理、缓冲区等资源。这样的⽅案，会⽐反复切换上下⽂，或者⼤量修改渲染状态，更加合理⾼效的.

渲染

将图形、图像转换成2D空间图像的操作叫做渲染。（平时我们看到的图片例如jpg、png都是压缩文件，解压之后图片是有很多歌像素点组成，然后解压之后还附带像素点的位置和像素点的颜色以及整个图片的顶点数组（见过专业摄影的人精修图图片其实就是在操作么个像素点，改变像素点的饱和度啊颜色啊，使照片效果更好）将这些像素点组成一张照片的过程就叫做渲染

顶点数组(VertexArray)和 顶点缓冲区VertexBuffer

画图⼀般是先画好图像的⻣架，然后再往⻣架⾥⾯填充颜⾊，这对于OpenGL也是⼀样的。顶点数据就是要画的图像的⻣架，和现实中不同的是，OpenGL中的图像都是由图元组成。在OpenGL ES中，有3种类型的图元：点、线、三⻆形。那这些顶点数据最终是存储在哪⾥的呢？开发者可以选择设定函数指针，在调⽤绘制⽅法的时候，直接由内存传⼊顶点数据，也就是说这部分数据之前是存储在内存当中的，被称为顶点数组。⽽性能更⾼的做法是，提前分配⼀块显存，将顶点数据预先传⼊到显存当 中。这部分的显存，就被称为顶点缓冲区

管线

在OpenGL 下渲染图形,就会有经历⼀个⼀个节点.⽽这样的操作可以理解管线.⼤家可以想象成流⽔线.每个任务类似流⽔线般执⾏.任务之间有先后顺序. 管线是⼀个抽象的概念，之所以称之为管线是因为显卡在处理数据的时候是按照⼀个固定的顺序来的，⽽且严格按照这个顺序。就像⽔从⼀根管⼦的⼀端流到另⼀端，这个顺序是不能打破的

固定管线

在早期的OpenGL 版本,它封装了很多种着⾊器程序块内置的⼀段包含了光照、坐标变换、裁剪等等诸多功能的固定shader程序来完成,来帮助开发者来完成图形的渲染. ⽽开发者只需要传⼊相应的参数,就能快速完成图形的渲染. 类似于iOS开发会封装很多API,⽽我们只需要调⽤,就可以实现功能.不需要关注底层实现原理。但是由于OpenGL 的使⽤场景⾮常丰富,固定管线或存储着⾊器⽆法完成每⼀个业务.这时将相关部分开放成可编程

着⾊器程序Shader

• 就全⾯的将固定渲染管线架构变为了可编程渲染管线。因此，OpenGL在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（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.
• 举个例子：手机壳的生产流水线，正常的流水线肯定有很多磨具比如苹果手机的模具、小米手机的模具等，制作的过程中通过选择不同的模具来制造成不同的手机壳，这就是固定的一个管线框架，如果模具不是固定的几种而是通过编程获得的模具（也就是说我们可以随便生产各种手机壳）这个获得模具的程序就是OpenGL由shader编译成的着⾊器程序

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。
  说白了顶点着色器就是用来确定图形的位置的，通过给到的顶点数组计算出相应的位置，同时也可以通过更改顶点数组进而修改图形的位置亦或者是平移、旋转、投影等

⽚元着⾊器程序 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

• 固定着色器

• 自定义着色器

GLSL (OpenGL Shading Language)

OpenGL着⾊语⾔（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

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.

混合

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.

变换矩阵

例如图形想发⽣平移,缩放,旋转变换.就需要使⽤变换矩阵.

投影矩阵Projection

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