OpenGL ES 开发随想：基础篇
发表于2015-11-03
闲暇时间开发了一款iOS系统下的基于OpenGL ES 2.0的渲染引擎，这里就简单把OpenGL的一些东西讲一下吧，自己也可以顺便复习一下这块的知识。同时写给那些对OpenGL感兴趣的同学。
说明一下，这篇文章并不是OpenGL教程，只是为了让大家更好地理解OpenGL。由于开发过程中用的是OpenGL ES 2.0，因此文章中关于OpenGL的东西全部都是基于OpenGL ES 2.0来讲的。
那么OpenGL是啥？它是个图形库。那这个库是做什么的？用来驱动GPU画图，专业一点讲就是渲染图像，嗯，就是你现在屏幕上看到的所有东西都是它画出来的。
具体来说OpenGL是怎么进行渲染的呢？这个渲染的流程类似于一个工厂里面的流水线（如下图），你在一端把各种材料送进去，然后另外一端就把东西生产出来了，具体来说就是一张图像。当然，我们肯定是可以控制生成的图像是什么样子的，下图中的Vertex和Fragment部分就是我们进行控制的地方，就是可编程的部分。
上面的流程图被称之为可编程管线(programmable pipeline)。可编程意味着这个流程的可控程度非常高，基本上我们需要的效果都可以通过编程来实现。不过缺点就是基本上所有事情都需要我们来做。举个例子，这里我们传了一个红色的正方形进去，想着在屏幕上出现一个漂亮的红色正方形，不过运行后却发现是一片黑屏。为什么呢？因为我们需要进行非常具体的编程来告诉OpenGL这是个正方形，放在屏幕的某某位置，红色的。这里我们用到的编程语言叫做GLSL(OpenGL Shading Language)，具体的情况后面有机会再讲吧。
接下来讲一下怎么用OpenGL，下面的示意图是一个标准的OpenGL程序运行时的构成，红色部分是必要模块，灰色是可选模块。下图基本上是上面的管线图的运行时的表现。下面简单介绍一下这几个模块。
FrameBuffer
FrameBuffer简单讲就是一个OpenGL输出图像的缓存，一个程序可以设置多个FrameBuffer来存储图像，但最终需要有一个FrameBuffer把当前的渲染结果输出到显示屏上。有一些程序是使用两个FrameBuffer进行交替渲染和显示，可以提高效率。一个FrameBuffer包含了三种图像缓存，分别为颜色，深度和模板，如下图所示，其中深度和模板这两种缓存是可选的，可以在用到时才打开。
ColorAttachment，顾名思义就是保存颜色的地方，屏幕上显示就是这个地方的内容，不过这里的图像并不都是输出到屏幕的，有时也会输出到纹理缓存中，作为下一次渲染时的素材使用。
DepthAttachment用于保存图像的每个点的深度信息，点越黑说明越接近屏幕，主要用于判断哪个图形在哪个图形前面，而且重叠图形相交的地方也可以正确表现出来。
StencilAttachment保存了图形的轮廓信息，一般是用来当遮罩裁剪图像用的。
Program
Program在这里表示的是一个在GPU运行的程序，之前提到的可编程部分有两个，Vertex和Fragment。一个Program就是把这两部分的编程代码（GLSL）进行编译打包，然后传给GPU运行。
VertexShader（顶点着色器），它的主要任务就是告诉OpenGL图形的顶点位置信息，当然更多时候这里不仅仅处理顶点信息，类似于灯光计算，纹理坐标，法线计算等都会在这里进行。下面是一段简单的VertexShader代码演示。
举个例子说明一下上面这段代码，现在我们要渲染一个红色的正方体，需要传入正方体的6个顶点信息和一个用于转换的矩阵。对于每一个顶点，这段代码都会执行一次。每次执行时VertexPosition都会传入一个顶点坐标，与MVPMatrix相乘得出一个新的坐标信息输出到gl_Position，用于渲染管线的下一阶段处理。
FragmentShader（片元着色器），主要是计算画布上某一个点的颜色信息。这里的代码也是会多次执行的，执行的次数是根据图像内容在画布上占用的点数来算的，比如说把刚才那个正方体缩的很小，只占10个点，那么这里就只会执行10次。但如果把这个正方体放大到整个屏幕，占640X960个点，那这里就会执行614400次。正常情况下这里的负荷会比VertexShader要重，因此有时候我们会把一些计算转移到VertexShader中，可以提高渲染效率。下面是一段简单的FragmentShader代码演示：
这里只是把一个固定的红色颜色信息写入到gl_FragColor中，实际中这里的颜色计算可能会很复杂，比如计算纹理映射，光线的反射效果，阴影效果等。
关于点的概念，这里的点不是指屏幕像素，而是指创建FrameBuffer缓存时指定的长宽单位。
Render Resources
这里的资源都是GPU中的缓存，运行时数据从CPU拷贝到GPU的。
VertexBuffer用于表示顶点信息。这里顶点的信息不仅仅顶点的位置，还可以是该顶点对应的纹理坐标，法线方向等。如下图所示，类似于一个结构数组，结构里面定义了位置，纹理坐标，法线等变量。每次渲染时，OpenGL都会从这个buffer中获取顶点信息，传入VertexShader进行计算。
上面的VertexBuffer总共包含了4个顶点信息，每个顶点包含了一个三维坐标，一个二维的纹理映射坐标和一个三围法线方向。这些信息可以用来计算模型的纹理以及光照效果，根据不同的需求这里的结构是可以进行变更的，比如说你不需要纹理，那这里的UV部分可以删掉，剩下点坐标和法线，可以渲染出一个单一颜色的带光照效果的模型。
IndiceBuffer是表示顶点索引信息，这里是个简单的整形数组（unsigned short或unsigned char），里面记录了VertexBuffer的顶点索引，配合VertexBuffer使用，主要用于减少数据传输，提高绘制效率。
Texture表示纹理，就是一张图片，主要是在FragmentShader中使用的，作为一项资源用于计算某个点的颜色。Texture本身可以创建非常多个，只要不把GPU的内存占满就行了，不过一个shader中同时加载的纹理个数是有限的，像iOS设备一般是8个，看起来很少，不过一般是够用的。
关于资源调用与状态机
第一次看OpenGL代码时，我们会发现有很多的glGenXXX, glBindXXX，glEnable(), glDisable()等函数，很多人都会感到很困惑，为什么不直接set，而是需要各种glGenXXX，glBindXXX，然后再进行各种操作。那是因为OpenGL运行时是一个状态机的机制。
怎么理解这个状态机呢，这里可以把OpenGL想象成一个炒菜的机器人，它的功能就是炒菜（渲染）。你可以对它进行编程，炒出各种菜。不过就像大多数炒菜机器人一样，它不会自己准备材料，所以你要帮它准备好材料。机器人有几个槽位提供给我们用于放置各种食材，同时提供食材的几种处理功能，但每种功能只提供一个槽位，同时你有很多个盒子，盒子可以装东西，然后放到槽位上。这里机器人的槽位只接收盒子，请不要把盘子之类的奇怪东西放到上面。现在我们以番茄炒蛋为例说一下这个机器人的操作。
- 取一个放番茄的盒子
- 放到机器人的清洗槽位
- 让机器人对番茄进行清洗
- 取一个放鸡蛋的盒子
- 放到机器人的打蛋槽位
- 让机器人把蛋打好
- 告诉机器人番茄在清洗槽位
- 告诉机器人鸡蛋在打蛋槽位
- 选择番茄炒蛋程序
- 执行番茄炒蛋操作
- 完成
就像你看到的OpenGL调用一样，整个过程非常繁琐。每炒一个菜我们都需要细心地把材料准备好，告诉它哪个槽位放了什么东西，做什么操作。上面的流程基本上只要有一步出错，最终的结果就是失败的。
这里，glGenXXX类似于获取一个盒子，glBindXXX类似于把这个盒子放到机器人的一个槽位里面。glBufferData()，glTexImage2D()等函数类似于洗番茄，打蛋等操作。glUseProgram就是选择菜单，最后glDrawXXX函数就是执行操作了。
这里只是一个简单的比喻帮助大家理解状态机是怎么一回事，实际情况会比这个复杂，但大体的流程就是这样的。
上面讲到只是OpenGL的一些非常基本的概念，帮助大家对OpenGL有个基本的印象，实际上还是省略了不少东西的。如果你想进一步了解的话可以下载附件的资料，这些资料是我平时收集的，算是比较不错的学习资料。
最后宣传一下我的渲染引擎～目前这个引擎实现了一些最基础的功能：
- obj文件加载
- 三种类型模型的渲染（实体，带alpha贴图，半透明）。
- 模型贴图（支持png，jpeg，pvr三种格式，其中png和jpeg支持mipmap）
- 三种光照效果（方向光，点光源，聚光灯）
- 法线贴图和阴影（仅限于方向光）
- 资源预处理以及打包
- 运行时按照渲染配置动态加载shader（非UberShader）
- 模型数据以及纹理数据等资源的简单管理
如果你是刚接触OpenGL的话，可以下载前面一点版本，最新的版本已经把基本的渲染架构搭起来了，很多东西已经模块化，OpenGL调用比较分散，不太好学习。对了，这个引擎基本上是由OC编写的，你还需要一台装有xcode的mac才能运行这个工程。这个工程仅仅是个人学习OpenGL用的，因此所有代码都是开源的。