一、OpenGL概念

? ? ? ? OpenGL (Open Graphics Library，譯名：開放式圖形庫開放式圖形庫) 是一種用于渲染 2D 和 3D 圖形的跨語言、跨平臺(tái)的編程接口(API)。

二、OpenGL跨語言

? ? ? ?OpenGL 是一個(gè) C 語言庫，因此理解 C 語言（或 C++）的基本知識(shí)是非常有用的。然而，許多其他語言也有 OpenGL 的綁定，值得一提的包括：

(1)JavaScript綁定的WebGL(基于OpenGL ES 2.0在Web瀏覽器中的進(jìn)行3D渲染的API)；

(2)C綁定的WGL、GLX和CGL;

(3)iOS提供的C綁定;

(4)Android提供的Java和C綁定;

所以你可以選擇你最熟悉的語言來學(xué)習(xí)。

三、OpenGL跨平臺(tái)

? ? ? ? OpenGL 提供了一組底層的圖形渲染函數(shù)，嚴(yán)格規(guī)定了每個(gè)函數(shù)該如何執(zhí)行，以及它們的輸出值，這些函數(shù)可以直接與圖形硬件交互，實(shí)現(xiàn)高效的圖形渲染。至于內(nèi)部具體每個(gè)函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)(Implement)的，將由OpenGL庫的開發(fā)者（通常是顯卡的生產(chǎn)商）自行決定。???

? ? ?OpenGL被設(shè)計(jì)為只有輸出的，只提供渲染功能，核心API沒有窗口系統(tǒng)、音頻、打印、鍵盤/鼠標(biāo)或其他輸入設(shè)備的概念，也正是這種限制使得OpenGL允許進(jìn)行渲染的代碼完全獨(dú)立于它運(yùn)行的操作系統(tǒng)，允許跨平臺(tái)開發(fā)。

? ??OpenGL沒有提供著色器編譯器，而是由顯卡驅(qū)動(dòng)來完成著色器的編譯工作，也就是說，只要顯卡驅(qū)動(dòng)支持對(duì)GLSL的編譯它就能運(yùn)行，所以能夠跨平臺(tái)。具有強(qiáng)大的通用性和可移植性，可以將其輕松的移植在多個(gè)不同的平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)。因?yàn)镺penGL本身是一個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口，所以，通用于市面上較為流行的平臺(tái)：比如，Windows、Unix、Linux、MacOS等。

四、OpenGL擴(kuò)展特性

? ? ? ?OpenGL的一大特性就是對(duì)擴(kuò)展（Extension)的支持，當(dāng)一個(gè)顯卡公司提出一個(gè)新特性或者渲染上的大優(yōu)化，通常會(huì)以擴(kuò)展的方式在驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展可能會(huì)引入新功能和新常量，并且可能放松或取消現(xiàn)有的OpenGL函數(shù)的限制。然后一個(gè)擴(kuò)展就分成兩部分發(fā)布：包含擴(kuò)展函數(shù)原型
的頭文件和作為廠商的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。供應(yīng)商使用擴(kuò)展公開自定義的API而無需獲得其他供應(yīng)商或Khronos Group的支持，這大大增加了OpenGL的靈活性。

? ? 每個(gè)擴(kuò)展都與一個(gè)簡短的標(biāo)識(shí)符
關(guān)系，該標(biāo)識(shí)符基于開發(fā)公司的名稱。例如，英偉達(dá)（nVidia）的標(biāo)識(shí)符是NV。如果多個(gè)供應(yīng)商同意使用相同的API來實(shí)現(xiàn)相同的功能，那么就用EXT標(biāo)志符。這種情況更進(jìn)一步，Khronos Group的架構(gòu)評(píng)審委員（Architecture Review Board，ARB）正式批準(zhǔn)該擴(kuò)展，那么這就被稱為一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展”，標(biāo)識(shí)符使用ARB。

? ? ? ?OpenGL是一個(gè)不斷進(jìn)化的API，新版OpenGL規(guī)范會(huì)定期由Khronos Group發(fā)布，新版本通過擴(kuò)展API來支持各種新功能。OpenGL 更像是一種顯卡驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),由各個(gè)硬件廠家適配,各個(gè)硬件廠商根據(jù) OpenGL 接口規(guī)范編撰對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，換句話說,對(duì)于各個(gè)硬件廠商 OpenGL 確實(shí)是一個(gè)基于 GPU 的軟件實(shí)現(xiàn),但是對(duì)于普通的應(yīng)用層開發(fā)者 OpenGL 就是一個(gè)由硬件廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序罷了。

? ? ? ?在OpenGL的發(fā)展歷程中，總是兼顧向下兼容的特性，但是到了一定的程度之后，這些舊有的OpenGL API不再適應(yīng)時(shí)代的需要，還有一些擴(kuò)展并不是驅(qū)動(dòng)一定要實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展，這些被統(tǒng)一劃入可選的Compatibility Profile；而由OpenGL規(guī)范規(guī)定必須支持的擴(kuò)展，則是Core Profile，想要支持先進(jìn)的OpenGL，相應(yīng)的Core Profile擴(kuò)展必須被實(shí)現(xiàn)。

五、OpenGL 上下文

5.1、Context上下文的理解

? ?OpenGL Context，中文解釋就是OpenGL的上下文。OpenGL只是圖形API，它只負(fù)責(zé)渲染，渲染指令執(zhí)行所需要的那些東西就是Context。

? ? ?OpenGL在渲染的時(shí)候需要一個(gè)Context來記錄了OpenGL渲染需要的所有信息和狀態(tài)，可以把它理解成一個(gè)大的結(jié)構(gòu)體，它里面記錄了當(dāng)前繪制使用的顏色、是否有光照計(jì)算以及開啟的光源等。

? ? ? ?對(duì)于OpenGL的上下文的理解看到一個(gè)比較形象的比喻：好比一個(gè)畫家在畫圖，OpenGL就是這個(gè)畫家（可以發(fā)出各種指令），而畫家作畫需要用到的畫筆、畫布等東西就是Context，Context的切換就像畫家同時(shí)作多幅畫，當(dāng)要畫另外一幅畫的時(shí)候，畫家需要放下原來的畫筆，拿起了另外一幅畫所需要的畫筆。

5.2、Context上下文的歷史版本

? ? ?(1)在OpenGL 3.0版本之前，OpenGL創(chuàng)建Context都是一致的；

? ? ?(2)但是從OpenGL 3.0開始，為了擺脫歷史的“包袱”，OpenGL想要徹底的廢棄掉之前的許多特性，但是無奈市面上已經(jīng)有大量依賴OpenGL之前版本的代碼，導(dǎo)致OpenGL維護(hù)小組的這一想法難以付諸實(shí)施，?OpenGL 3.0 引入了廢棄機(jī)制，標(biāo)記了許多OpenGL的函數(shù)是廢棄的（但是3.0并沒有真正移除它們，也就是說3.0版本仍然是一個(gè)可以向后兼容的Context）;

? ? (3)在OpenGL 3.1的發(fā)布刪除了之前3.0標(biāo)記的過時(shí)函數(shù)（固定管線相關(guān)的函數(shù)），但是為了之前的OpenGL代碼可用， 引入了一個(gè)擴(kuò)展ARB_compatibility，這個(gè)擴(kuò)展可以讓OpenGL 3.1支持之前的OpenGL固定管線的內(nèi)容，

? （4)OpenGL 3.2中開始引入了OpenGL Context的一些分類，正式引入了模式的概念（Profile），之后隨著版本發(fā)展到OpenGL 3.3，一切算是確定下來。

? ? (5)到了OpenGL3.3之后，OpenGL的context profile分為了兩個(gè)版本，core pfofile和compatibility profile，前者表示刪除任何標(biāo)記為deprecated（棄用）的功能，后者則表示不刪除任何功能。

? 5.3、創(chuàng)建上下文context使用的圖形界面框架

? ? ?不同的操作系統(tǒng)，都有各自的上下文創(chuàng)建方法和設(shè)置當(dāng)前上下文的API，最簡單的上下文可以通過Glut或是Glfw創(chuàng)建，相比較而言glfw是一個(gè)輕量級(jí)的圖形界面框架，托管在?www.glfw.org，現(xiàn)在非常的活躍，如果新入門可以優(yōu)先考慮glfw，相關(guān)的教程網(wǎng)上也比較多。

? 使用glfw創(chuàng)建一個(gè)窗口，并使該窗口的上下文成為當(dāng)前上下文：

 // 設(shè)置窗口提示glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3); // OpenGL主版本號(hào)glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3); // OpenGL次版本號(hào)glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE); // 使用核心模式// 創(chuàng)建窗口GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL) {glfwTerminate();return -1;}// 使窗口上下文當(dāng)前上下文glfwMakeContextCurrent(window);

? ??創(chuàng)建了繪制上下文，并設(shè)置為當(dāng)前上下文以后，還不能使用OpenGL最新的特性，

一般我們使用Glfw庫，首先初始化GLFW庫，即需要調(diào)用glfwInit()，：得到OpenGL隨顯卡驅(qū)動(dòng)一起發(fā)布的新特性的函數(shù)入口地址。

   //初始化GLFW，得到OpenGL隨顯卡驅(qū)動(dòng)一起發(fā)布的新特性的函數(shù)入口地址glfwInit();//下面glfwWindowHint函數(shù)配置GLFW====================glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);//設(shè)置主板本號(hào)為3glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);//設(shè)置副版本號(hào)為3glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);//核心模式(Core-profile)//參數(shù)1：選項(xiàng)的名稱。可以從很多以GLFW_開頭的枚舉值中選擇//參數(shù)2：接受一個(gè)整型，用來設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)的值//設(shè)置版本號(hào)為3.3版本,需要告訴GLFW我們要使用的OpenGL版本是3.3//GLFW會(huì)在創(chuàng)建OpenGL上下文時(shí)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。//這也可以確保用戶在沒有適當(dāng)?shù)腛penGL版本支持的情況下無法運(yùn)行//如果你使用的是Mac OS X系統(tǒng)，你還需要解除下面這行代碼的注釋//glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);// 創(chuàng)建窗口對(duì)象GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL) {//創(chuàng)建窗口對(duì)象失敗，打印錯(cuò)誤信息std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;//需要引用iostream頭文件//終止GLFWglfwTerminate();return -1;}//參數(shù)1：窗口寬//參數(shù)2：窗口高//參數(shù)3：窗口標(biāo)題（名字）//參數(shù)4，參數(shù)5暫時(shí)忽略//返回值類型：GLFWwindow*：我們會(huì)在其它的GLFW操作中使用到// 使窗口上下文當(dāng)前上下文glfwMakeContextCurrent(window);

?5.4、線程私有

? ? ? ? OpenGL的繪制命令都是作用在當(dāng)前的Context上，這個(gè)Current Context是一個(gè)線程私有（thread-local）的變量，也就是說如果我們?cè)诰€程中繪制，那么需要為該線程制定一個(gè)Current Context的，當(dāng)多個(gè)線程參與繪制任務(wù)時(shí)，需要原線程解綁再重新綁定新的線程。多個(gè)線程不能同時(shí)指定同一個(gè)Context為Current Context，否則會(huì)導(dǎo)致崩潰。

六、OpenGL的開發(fā)模式

6.1、立即渲染模式 (Compatibility Profile)

? ? ?Compatibility Profile兼容之前的OpenGL固定管線的內(nèi)容，也可以使用Core Profile中的內(nèi)容。

? ? ? 早期的OpenGL使用立即渲染模式（Immediate mode，也就是固定渲染管線），OpenGL 3.2版本以前都是該模式，該模式固定以glBegin開始繪制，以glEnd結(jié)束繪制，明確規(guī)定了先做什么后做什么，有一套固定的函數(shù)和執(zhí)行流程，開發(fā)者可以“傻瓜式”的使用這些函數(shù)來實(shí)現(xiàn)渲染效果，它面向過程，比較簡單、易于理解，但是靈活性（固定的執(zhí)行流程）和性能都較差（CPU與GPU通信頻繁）。

6.2、?核心模式(Core Profile)

? ? ? ? ??核心模式即著色器渲染模式，從3.2版本開始廢棄了立即渲染模式，開發(fā)者通過編寫shader來完成圖形的渲染，常見的shader有vertex shader和fragment shader，這種模式較為靈活和高效，但是比較復(fù)雜。

? ? 從OpenGL3.2開始，規(guī)范文檔開始廢棄立即渲染模式，并鼓勵(lì)開發(fā)者在OpenGL的核心模式(Core-profile)下進(jìn)行開發(fā)，這個(gè)分支的規(guī)范完全移除了舊的特性。當(dāng)使用OpenGL的核心模式時(shí)，OpenGL迫使我們使用現(xiàn)代的函數(shù)。當(dāng)我們?cè)噲D使用一個(gè)已廢棄的函數(shù)時(shí)，OpenGL會(huì)拋出一個(gè)錯(cuò)誤并終止繪圖。

? ?現(xiàn)今，更高版本的OpenGL已經(jīng)發(fā)布（寫作時(shí)最新版本為4.6），你可能會(huì)問：既然OpenGL 4.6 都出來了，為什么我們還要學(xué)習(xí)OpenGL 3.3？答案很簡單，?所有OpenGL的更高的版本都是在3.3的基礎(chǔ)上，引入了額外的功能，并沒有改動(dòng)核心架構(gòu)。?新版本只是引入了一些更有效率或更有用的方式去完成同樣的功能。因此，所有的概念和技術(shù)在現(xiàn)代OpenGL版本里都保持一致。當(dāng)你的經(jīng)驗(yàn)足夠，你可以輕松使用來自更高版本OpenGL的新特性。

? ? 除了core profile（核心渲染模式）和compatibility profile（立即渲染模式）外，還有一種模式：foward compatibility，這個(gè)表示所有標(biāo)記為deprecated的函數(shù)都禁用，這個(gè)模式只對(duì)opengl3.0及以上的版本有效。但這個(gè)選項(xiàng)對(duì)OpenGL 3.2+ compatibility Profile Context沒有任何作用。

七、OpenGL需要了解的技術(shù)和知識(shí)

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)：理解基本的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念，如向量、矩陣、變換、光照、紋理等，可以幫助你更好地理解和使用 OpenGL。這些主題通常在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的入門課程中介紹。
2、線性代數(shù)：在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，我們經(jīng)常需要處理 2D 或 3D 空間中的點(diǎn)和向量，這需要一些線性代數(shù)的知識(shí)。至少要熟悉向量的加法、減法和點(diǎn)積，以及如何使用矩陣進(jìn)行變換。
3、計(jì)算機(jī)硬件：理解計(jì)算機(jī)硬件，特別是圖形處理器 (GPU) 的基本工作原理，可以幫助你理解 OpenGL 的許多設(shè)計(jì)決策，以及為什么某些操作比其他操作更快。
4、IDE 和調(diào)試工具：熟悉一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（如 Visual Studio、Eclipse 或者 PyCharm）將會(huì)對(duì)你編寫和調(diào)試代碼非常有幫助。此外，學(xué)習(xí)使用像 gDEBugger 或者 RenderDoc 這樣的 OpenGL 調(diào)試工具也是很有用的。
5、API 文檔和教程：熟悉 OpenGL 的官方文檔（或你正在使用的語言綁定的文檔）。這將是你在學(xué)習(xí)和使用 OpenGL 時(shí)的重要資源。同時(shí)，還有許多優(yōu)秀的在線教程，如https://learnopengl.com/Getting-started/OpenGL；https://learnopengl-cn.github.io/.