1.openGL概述（笔记）

蜡笔小马

已于 2024-11-24 18:39:03 修改

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分类专栏： OpenGL笔记文章标签：计算机视觉笔记

于 2024-11-24 18:29:04 首次发布

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操作流程

一个用来渲染图像的OpenGL程序需要执行操作如下：

从OpenGL的几何图元中设置数据，用于构建形状
使用不同的着色器（shader）对输入的图元数据执行计算操作，判断它们的位置、颜色，以及其他渲染属性。
将输入图元的数学描述转换为与屏幕位置对应的像素片元（fragment）。这一步也称作光栅化（rasterization）。（OpenGL中的片元若最终渲染为图像，那它就是像素。）
最后，针对光栅化过程产生的每个片元，执行片元着色器（fragment shader），从而决定这个片元的最终颜色和位置。
如果有必要，还需要对每个片元执行一些额外的操作，例如判断片元对应的对象是否可见，或者将片元对应的对象是否可见，或者将片元的颜色与当前屏幕位置的颜色进行融合。

所有OpenGL程序的基本结构通常都是：

初始化物体渲染所对应的状态。
设置需要渲染的物体。

BS架构

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。OpenGL的某些实现（例如X窗口系统的实现）允许服务端和客户端在一个网络内的不同计算机上运行。

X窗口

X窗口（X Window System，也常简称为X或X11）是一种用于UNIX及类UNIX系统的标准图形化用户界面（GUI）系统。

X窗口系统基于服务器-客户端的网络架构。服务端（X Server）负责管理来自客户端（X Client）的连接，处理输入设备（如键盘和鼠标）的输入，并向客户端返回像素数据以更新界面。这种架构使得X窗口系统能够支持远程绘制界面，即服务端和客户端可以运行在不同的机器上，并通过网络协议进行通信。

光栅化系统

渲染（render），表示计算机从模型创建最终图像的过程。OpenGL是基于光栅化的系统，但是也有别的方法用于生成图像。例如光线追踪（ray tracing），不过，就算用到了光线追踪技术的系统，同样有可能需要用到OpenGL来显示图像，或者计算图像生成所需的信息。

对于，OpenGL的最新版本，诸如光线追踪、光子映射（photon mapping）、路径跟踪（path tracing）以及基于图像的渲染（image-based rendering）这样的技术都可以相对简单地在可编程图形硬件端实现。

着色器

OpenGL另一个最本质的概念叫做着色器，它是图形硬件设备所执行的一类特殊函数。

理解着色器的最好的方法是把它看做，专为图形处理单元（通常也叫做GPU）编译的一种小型程序。

在OpenGL中，会用到六种不同的着色阶段（shader stage）：

顶点着色器阶段（vertex shading stage）
细分着色阶段（tessellation shading stage）
- 细分控制着色器（tessllation control shader）
- 细分赋值着色器（tessellation evaluation shader）
几何着色阶段（geometry shading stage）
片元着色阶段（fragment shading stage）
计算着色阶段（compute shading stage）

最常用的是顶点着色器（vertex shader）和片元着色器（fragment shader），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。

最终生成的图像包含了屏幕上绘制的所有像素点。像素（pixel）是显示器上最小的可见单元。计算机系统将所有的像素保存到帧缓存（framebuffer）当中，帧缓存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。

帧缓存

帧缓存，也称为帧缓冲存储器，是计算机图形学中的一个重要概念，主要用于存储和管理输出到显示器的像素数据。以下是关于帧缓存的详细解释：

一、定义

帧缓存是屏幕所显示画面的一个直接映象，又称为位映射图（Bit Map）或光栅。帧缓存的每一存储单元对应屏幕上的一个像素，整个帧缓存对应一帧图像。在Linux系统中，帧缓存被抽象为显示设备的一个接口，允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。

二、功能

存储像素数据：帧缓存是一个内存区域，用于保存在计算机图形渲染中生成的图像。它存储了每个像素的颜色、深度和其他相关信息。
实现图形显示：通过提供一块内存区域来存储和管理输出到显示器的像素数据，帧缓存实现了图形显示的各类功能。渲染过程中，计算机会将三维数据转化为二维像素信息，并将这些像素信息存储到帧缓存中，最终通过显示设备实时显示在屏幕上。
支持多种渲染技术：帧缓存可以支持多种渲染技术，如阴影、反射、折射等效果的模拟，以及光照计算、纹理映射等高级图形处理技术。

三、特点

实时性：帧缓存中的数据是实时的，如果不捕获，每一帧都会被丢弃。这使得帧缓存能够支持实时图形渲染和动态图像显示。
灵活性：帧缓存允许应用程序直接控制屏幕显示内容，提供了高度的灵活性。开发者可以根据需要自由修改帧缓冲区中的数据，以实现各种自定义的显示效果。
跨平台性：帧缓存作为一种低级的通用设备，能够跨平台工作，支持多种硬件平台，如x86、PPC、m68k和SPARC等，甚至在嵌入式设备上也能正常工作。

四、应用

游戏开发：在游戏开发中，帧缓存用于存储和管理游戏画面的像素数据，实现高质量的图形渲染和动态效果。
多媒体应用：在视频编辑、图像处理等多媒体应用中，帧缓存用于实时显示和处理视频帧和图像帧。
嵌入式系统：在嵌入式系统中，帧缓存也扮演着重要角色，用于实现图形用户界面（GUI）和图形显示功能。

五、总结

帧缓存是计算机图形学中的一个核心概念，它通过提供一块内存区域来存储和管理输出到显示器的像素数据，实现了图形显示的各类功能。帧缓存具有实时性、灵活性和跨平台性等特点，广泛应用于游戏开发、多媒体应用和嵌入式系统等领域。

渲染管线

渲染管线（rendering pipeline）,它是一系列数据处理过程，并且将应用程序的数据转换到最终渲染的图像。

在这里插入图片描述

只有顶点着色器和片元着色器是必须的，细分和几何着色器是可选的步骤。

准备向OpenGL传输数据：OpenGL需要将所有的数据都保存到缓存对象（buffer object）中，它相当于由OpenGL维护的一块内存区域。
将数据传输到OpenGL：缓存初始化完毕后，调用绘制命令来请求渲染几何图元，而绘制通常就是将顶点数据传输到OpenGL服务端。可将一个顶点视为一个需要统一处理的数据包，数据包中是我们需要的任何数据，包括位置数据，以及其他决定颜色的数据。
顶点着色：对于绘制命令传输的每个顶点，都会调用顶点着色器处理。可仅做传递，也可进行位置变换、光照计算等等。
细分着色：细分着色器使用面元（patch）来描述一个物体的形状，并且使用相对简单的面片几何体连接，来完成细分的工作，其结果是几何图元的数量增加，并且模型的外观会变得更加平顺。
几何着色：此着色阶段，允许在光栅化之前对每个几何图元做更进一步的处理，例如创建新图元。
图元装配：此阶段是将顶点与相关的几何图元之间组织起来。
剪切：对视口之外的，顶点相关的图元作出改动，保证相关的像素不会在视口外绘制。它是由OpenGL自动完成。
光栅化：将更新后的图元传递到光栅化（rasterizer）单元，生成对应的片元。光栅化的工作是判断某一部分几何体（点、线或者三角形）所覆盖的屏幕空间。得到屏幕空间信息及输入的顶点数据后，光栅化单元对片元着色器中的每个可变变量进行线性插值，结果传递给用户的片元着色器。

光栅化是一个片元的开始，片元着色器是用于计算一个片元的最终颜色，但它不是针对片元的所有操作。

OpenGL实现光栅化和数据插值的方法是与具体平台相关。

片元着色：通过编程控制屏幕上显示颜色的阶段叫片元着色阶段。这个阶段，来计算片元的颜色和深度值。

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，片元着色使用这些信息，决定片元的颜色应该是什么。

逐片元的操作：片元操作的下一步，是最后的独立片元处理过程。这个过程使用深度测试（depth test，或者通常也称作z缓存）和模版测试（stencil test）的方式来决定一个片元是否可见。

片元成功通过测试后，它会被绘制到帧缓存中，对应像素的颜色会被更新；若开启融混（blending）模式，片元颜色会与该像素颜色叠加，形成新颜色写进帧缓存。

API接口

初始化顶点数组对象

void glCreateVertexArrays(GLsizei n,GLuint *arrays);

返回n个未使用的对象名到数组arrays中，用作顶点数组对象。
void glBindVertexArray(GLuint array);

如果输入的变量array非0，并且是glCreateVertexArrays()所返回的，那么会激活这个顶点数组对象，并且直接影响对象中所保存的顶点数组状态。

如果输入的变量为0，那么OpenGL将不再使用之前绑定的顶点数组。
void glDeleteVertexArrays(GLsizei n,const Gluint *arrays);

删除n个在arrays中定义的顶点数组对象，这样所有的名称可以再次用作顶点数组。

如果绑定的顶点数组已经被删除，那么当前绑定的顶点数组对象被重设为0，并且不再存在一个当前对象。

在arrays当中未使用的名称都会被释放，但是当前顶点数组的状态不会发生任何变化。
GLboolean gllsVertexArray(GLuint array);

如果array是一个已经用glCreateVertexArrays()创建且没有被删除的顶点数组对象的名称，那么返回GL_TRUE。

如果array为0或者不是任何顶点数组对象的名称，那么返回GL_FALSE。

分配缓存对象

void glGenBuffers(GLsizei n,GLuint *buffer);

返回n个当前未使用的缓存对象名称，并保存到buffers数组中。返回到buffers中的名称不一定是连续的整型数据。如果n是负数，那么产生GL_INVALID_VALUE错误。

这里返回的名称表示创建的缓存对象，带有默认可用状态。
void glBindBuffer(GLenum target,GLuint buffer);

指定当前激活的缓存对象。

target必须设置为一下类型中的一个：GL_ARRAY_BUFFER、GL_ATOMIC_COUNTER_BUFFER、GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER、GL_PIXEL_PACK_BUFFER、GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER、GL_COPY_READ_BUFFER、GL_COPY_WRITE_BUFFER、GL_SHADER_STORAGE_BUFFER、GL_QUERY_RESULT_BUFFER、GL_DRAW_INDIRECT_BUFFER、GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER和GL_UNIFORM_BUFFER。

buffer设置的是要绑定的缓存对象名称。
void glDeleteBuffers(GLsizei n,const GLuint *buffers);

删除n个保存在buffers数组中的缓存对象。被释放的缓存对象可以重用(例如，使用glCreateBuffers)。

如果删除的缓存对象已经被绑定，那么该对象的所有绑定将会重置为默认的缓存对象，即相当与用0作为参数执行glBindBuffer()的结果。如果试图删除不存在的缓存对象，或者缓存对象为0，那么将忽略该操作（不会产生错误）。
GLboolean gllsBuffer(GLuint buffer);

如果buffer是一个已经分配并且没有释放的缓存对象的名称，则返回GL_TRUE。

如果buffer为0或者不是缓存对象的名称，则返回GL_FALSE。

将数据载入缓存对象

void glNameBufferStorage(GLuint buffer,GLsizeiptr size,const void*data,GLbitfield flags);

在OpenGL服务端内存中分配size个存储单元（通常为byte），用于存储数据或者索引。

该函数作用于名为buffer的缓存区域。它不需要设置target参数。

size表示存储数据的总数量。这个数值等于data中存储的元素的总数乘以单元元素存储空间的结果。

data要么是一个客户端内存的指针，以便初始化缓存对象，要么是NULL。如果传入的指针合法，那么将会有size大小的数据从客户端拷贝到服务端。如果传入NULL，那么将保留size大小的未初始化的数据，以备后用。

flags提供了缓存中存储的数据相关的用途数据。它是下面一系列标识量经过逻辑"与"运算的总和：GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT、GL_MAP_READ_BIT、GL_MAP_WRITE_BIT、GL_MAP_PERSISTENT_BIT、GL_MAP_COHERENT_BIT和GL_CLIENT_STORAGE_BIT。

如果所需的size大小超过了服务端能够分配的额度大小，那么glNamedBufferData()将产生一个GL_OUT_OF_MEMORY错误。如果flags包含的不是可用的模式值，那么将产生GL_INVALID_VALUE错误。

顶点着色器关联顶点属性数组

void glVertexAttribPointer(GLuint index,GLint size,GLenum type,GLboolean normalized,GLsizei stride,const GLvoid* pointer);

设置index(着色器中的属性位置)位置对应的数据值。

pointer 表示缓存对象中，从起始位置开始计算的数组数据的偏移值（假设起始地址为0）,使用基本的系统单位(byte)。（BUFFER_OFFSET(0)，这里设置为0，因为数据是从缓存对象的第一个字节(地址为0)开始的。）

size 表示每个顶点需要更新的分量数目，可以是1、2、3、4或者GL_BGRA。

type 指定了数组中每个元素的数据类型（GL_BYTE、GL_UNSIGNED_BYTE、GL_SHORT、GL_UNSIGNED_SHORT、GL_INT、GL_UNSIGNED_INT、GL_FIXED、GL_HALF_FLOAT、GL_FLOAT或GL_DOUBLE）。

normalized 设置顶点数据在存储前是否需要进行归一化(或者使用glVertexAttribFourN*())。

stride 是数组中每两个元素之间的大小偏移值(byte)。如果stride为0，那么数据应该紧密地封装在一起。

渲染图像

首先清除帧缓存的数据，再进行渲染
```
void glClearBufferfv(GLenum buffer,GLint drawbuffer,const GLfloat *value);
```
清除当前绘制帧缓存中的指定缓存类型，清除结果为value。

参数buffer：设置了要清除的缓存类型，它可以是GL_COLOR、GL_DEPTH，或者GL_STENCIL。

参数drawbuffer：设置了要清除的缓存索引。如果当前绑定的是默认帧缓存，或者buffer设置为GL_DEPTH或GL_STENCIL，那么drawbuffer必须是0。否则它表示需要被清除的颜色缓存的索引。

参数value：是一个数组的指针，其中包含了一个或者四个浮点数，用来设置清除缓存之后的颜色。如果buffer设置为GL_COLOR，那么value必须是一个最少四个数值的数组，以表示颜色值。如果buffer是GL_DEPTH或者GL_STENCIL，那么value可以是一个单独的浮点数，分别用来设置深度缓存或模版缓存清除后的结果。
渲染绘制
```
void glDrawArrays(GLenum mode,GLint first,GLsizei count);
```
使用当前绑定的顶点数组元素来建立一系列的几何图元，起始位置为first，而结束位置为first+count-1。

mode 设置了构建图元的类型，它可以是GL_POINTS、GL_LINES、GL_LINE_STRIP、GL_LINE_LOOP、GL_TRIANGLES、GL_TRIANGLE_STRIP、GL_TRIANGLE_FAN和GL_PATCHES中的任意一种。

启用和禁用OpenGL操作

操作模式的开启和关闭
```
void glEnable(GLenum capability);
void glDisable(GLenum capability);
```
glEnable()会开启一个模式，glDisable()会关闭它。

例如：GL_DERTH_TEST可以用来开启或关闭深度测试；

GL_BLEND可以用来控制融合的操作；

GL_RASTERIZER_DISCARD用于transfrom feedback过程中的高级渲染控制。
检查模式是否启动
```
GLboolean glIsEnabled(GLenum capability);
```
根据是否启用当前指定的模式，返回GL_TRUE或者GL_FALSE。