OpenGL ES初探：渲染流程及GLKit简介

2021-08-25 14:52:18 浏览数 (1)

1.1 简介

OpenGL是一套多功能开放标准库，用于处理可视化2D和3D数据。OpenGL可以将调用函数转换成图形处理命令并传送给底层图形硬件，因此OpenGL的绘制效率非常快。

OpenGL ES 是OpenGL的简化版本，是以手持和移动设备为目标的高级3D图形图像API，可以直接操作GPU硬件。其苹果官方文档描述如下：

OpenGL ES消除了一些OpenGL中移动端用不到的冗余功能，是目前主流的智能手机图形API，目前支持的平台包括：iOS、Android、BlackBerry、bada、Linux、Windows等。

1.2 OpenGL/OpenGL ES渲染管线及流程

1.2.1 渲染架构

如图所示，应用程序代码通过OpenGL ES Client准备好图元信息（这一部分由CPU完成），将数据传递给OpenGL ES Server进行图像图像的渲染（这一部分由GPU完成）。

有三个通道传递数据给着色器式：Attribute(参数属性)、Uniform(统一值)、Texture Data(采样器)

  • Texture：用于传递纹理数据，可以将纹理数据传递给片元着色器，也可以传递给顶点着色器，但是顶点着色器不能处理纹理，所以没有意义；
  • Uniform：统一数据，批次传递，将一些不变的数据传递给着色器，既可以传给顶点着色器，也可以传给片元着色器
  • Attribute：参数属性传递，只能将数据传递给顶点着色器，再通过顶点着色器间接的传递给片元着色器。

1.2.2 着色器业务

着色器本质上是一段程序代码:

在OpenGL/OpenGL ES中，开发者所能直接编程的着色器只有顶点着色器和片元着色器，其它着色器不能由开发者直接编程，因此这里只介绍顶点着色器和片元着色器业务。

1、 顶点着色器输入数据是顶点数组提供的每个顶点的数据，主要包括以下业务：

  • 矩阵位置变换，比如旋转、平移和缩放
  • 计算光照公式生成顶点颜色，比如设置点光源或者默认光源
  • 生成/变换纹理坐标

2、片元着色器的输入数据来自光栅化后的顶点着色器输出，需要注意的是顶点着色器后并不是片元着色器，而是要经过图元装配、光栅化、裁剪等过程。片元着色器的主要包括以下业务：

  • 计算颜色
  • 获取纹理值，将纹理坐标与图形坐标进行一一对应
  • 往像素点中填充纹理值/颜色值

1.2.3 渲染管线流程

如图所示是苹果官方文档中描述的OpenGL ES渲染流程，主要包括以下几步：

1、顶点着色器进行旋转、平移、缩放的矩阵变换，以及对光照进行设置，之后输出数据

  • 图元装配：确定图形显示为什么形状，点、线或者三角形
  • 光栅化：将图元转换为二维信息，因为屏幕是二维的
  • Clipping: 超出视景体的部分不在屏幕上显示，要进行裁剪

2、片元着色器接收到数据后，进行颜色计算和纹理获取，并进行纹理和颜色的填充

3、逐片段处理，这里部分包括像素归属测试、裁剪测试、深度测试、混合等操作

  • 像素归属测试：确定帧缓冲区中的像素是否归属于OpenGL ES上下文所有；例如两个view在一个像素点上有重叠，则在下面的view的像素点会被判定不属于OpenGL ES的Context所有，即被抛弃不显示。
  • 裁剪测试：确定一个像素（x, y）是否在矩形区域内，如果不在则被丢弃，不予显示
  • 深度测试：对深度值进行比较，确定显示层级
  • 混合：将新生成的片段颜色和保存在帧缓冲区的位置的颜色组合起来，例如两个view有重叠，并且上层view存在透明度，则会进行混合，产生一个新的颜色值，因为一个像素只能显示一种颜色

1.3 EGL

OpenGL ES API没有提供如何创建渲染上下文或者上下文如何链接到原生窗口。EGL是渲染API和原生窗口系统之间的接口，比如OpenGL ES和各个平台。iOS系统是唯一支持OpenGL ES但不支持EGL的平台，因为苹果提供了一套自己的EGL API实现，称为EAGL。这有些类似与我们日常开发中对第三方库的二次封装，OpenGL/OpenGL ES对于苹果来说就是他们的第三方库。

二、GLKit简介

GLKit 框架的设计⽬目标是为了了简化基于OpenGL / OpenGL ES 的应⽤用开发. 。它的出现 加快OpenGL ES或OpenGL应⽤程序开发。使⽤数学库，背景纹理加载，预先创建的着 ⾊器效果，以及标准视图和视图控制器来实现渲染循环。

GLKit框架提供了功能和类，可以减少创建新的基于着色器的应⽤用程序所需的⼯工作量量，或者⽀持依赖早期版本的OpenGL ES或OpenGL提供的固定函数顶点或片段处理理的现有应用程序。

GLKit提供的功能：

  • 加载纹理
  • 提供高性能的数学运算
  • 提供常见的着色器
  • 提供视图及视图控制器，即GLKView和GLKViewController

GLKit提供的类及接口：

  • GLKView：使用OpenGL ES绘制其内容的视图的默认实现。
  • GLKViewController：管理OpenGL ES呈现循环的视图控制器。
  • GLKTextureLoader：简化从各种图像文件格式加载OpenGL或OpenGL ES纹理数据的实用程序类。
  • GLKTextureInfo：关于由GLKTextureInfo类创建的OpenGL纹理的信息。
  • GLKBaseEffect：一个简单的照明和阴影系统，用于基于着色的OpenGL渲染。相当于固定管线着色器

三、总结

1、何为OpenGL ES?

OpenGL ES是OpenGL 的子集，提供了一个以移动设备和嵌入式设备为目标的图形处理API.

2、何为EGL？

一个连接OpenGL与原生窗口间的接口，iOS系统不支持EGL，但是有一套自己的实现，成为EAGL。

3、何为GLKit？

苹果对OpenGL ES进行的面向对象的封装，极大简化了OpenGL/OpenGL ES的开发。

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