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第七章 OpenGL

1 简介

OpenGL（英语：Open Graphics Library，译名：开放图形库或者“开放式图形库”）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来绘制从简单的图形到比较复杂的三维景象。而另一种程序接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。

OpenGL的高效实现（利用了图形加速硬件）存在于Windows，部分UNIX平台和Mac OS。这些实现一般由显示设备厂商提供，而且非常依赖于该厂商提供的硬件。开放源代码库Mesa是一个纯基于软件的图形API，它的代码兼容于OpenGL。但是，由于许可证的原因，它只声称是一个“非常相似”的API。

当今，OpenGL是视频行业领域中用于处理2D/3D图形的最为广泛接纳的API，在此基础上，为了用于计算机视觉技术的研究，从而催生了各种计算机平台上的应用功能以及设备上的许多应用程序。其是独立于视窗操作系统以及操作系统平台，可以进行多种不同领域的开发和内容创作，简而言之，其帮助研发人员能够实现PC、工作站、超级计算机以及各种工控机等硬件设备上实现高性能、对于视觉要求极高的高视觉图形处理软件的开发。

1.1 OpenGL的特性

以下是对 OpenGL 的一些主要特性的概述：

1. 低层次的渲染 API：OpenGL 提供了直接与图形硬件进行交互的能力。这使得它非常强大，因为它可以充分利用图形处理器（GPU）的性能。然而，这也意味着使用 OpenGL 需要对计算机图形学有深入的理解。

2. 状态机：OpenGL 是一个状态机，这意味着你可以通过一系列的函数调用来改变它的内部状态，然后这些状态会影响后续的渲染操作。

3. 可扩展性：OpenGL 的一个重要特性是它的可扩展性。硬件制造商可以为他们的硬件特性定义新的 OpenGL 函数和参数。这些扩展可以通过 OpenGL 的扩展机制被查询和使用。

4. 跨平台和跨语言：OpenGL核心是一个C库，可以在所有主要的操作系统（如 Windows、macOS 和 Linux）上运行，并且有各种编程语言的绑定，包括 C、C++、Python、Java 和许多其他语言。

5. 显示列表和着色器：OpenGL 提供了两种主要的方式来指定如何渲染图形。一种是通过使用显示列表来指定一系列的顶点和参数。另一种是通过使用着色器，这是一种在 GPU 上运行的小程序，可以控制图形的最终颜色和位置。

总的来说，OpenGL 是一个非常强大的工具，能够为开发者提供创建高性能、高质量图形的能力。尽管它可能需要一些时间来学习，但是它在许多领域中都被认为是一个重要的技能。

1.2 OpenGL 的工作流程

OpenGL 的工作流程大致可以分为以下几个步骤：

1. 定义图形数据：首先，你需要定义你要渲染的图形数据，这些数据主要包括顶点数据。例如，如果你要渲染一个三角形，你就需要定义三个顶点的坐标。这些数据通常存储在顶点缓冲对象（Vertex Buffer Object，VBO）中。

2. 定义着色器程序：着色器是运行在图形处理器（GPU）上的小程序，用于控制图形的渲染过程。最常见的着色器类型有顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）。顶点着色器用于处理顶点数据，片元着色器用于计算像素的颜色。

3. 渲染图形：在图形数据和着色器程序都准备好之后，你可以调用 OpenGL 的函数来渲染图形。在渲染过程中，OpenGL 会根据你设置的状态和着色器程序来处理顶点数据，生成图形，并将图形绘制到一个叫做帧缓冲（Frame Buffer）的内存区域。

4. 显示图形：最后，你可以将帧缓冲的内容显示到屏幕上。这通常是通过交换前后帧缓冲（在双缓冲模式下）或者直接复制帧缓冲的内容到屏幕上完成的。

需要注意的是，OpenGL 只负责渲染图形，它并不包含创建窗口、处理用户输入等功能。这些功能通常需要通过其他的库（如 GLFW、SDL 等）来实现。

1.3 OpenGL 的基本组件，包括顶点、坐标、颜色、纹理等

OpenGL 通过一系列的基本组件和概念来定义和渲染 3D 图形。下面是其中的一些基本组件：

1. 顶点（Vertex）：顶点是构成图形的基本元素。一个顶点主要包含位置信息，但也可能包含颜色、法线、纹理坐标等其他信息。在 OpenGL 中，顶点数据通常存储在顶点缓冲对象（VBO）中，并通过顶点数组对象（VAO）来管理。

2. 坐标（Coordinates）：OpenGL 使用坐标来描述顶点的位置。在 3D 空间中，每个顶点都有一个三维坐标（x, y, z）。在 OpenGL 中，所有的坐标都被归一化到一个叫做裁剪空间（Clip Space）的立方体中，这个立方体的中心位于原点，长度、宽度和高度都是 2。

3. 颜色（Color）：颜色用于描述顶点或者片元的颜色。在 OpenGL 中，颜色通常由红、绿、蓝三个分量来表示，每个分量的值在 0 到 1 之间。有时候还会有一个额外的分量 alpha，用于表示颜色的透明度。

4. 纹理（Texture）：纹理是一个图像，可以被映射到图形的表面上，增加图形的细节。每个顶点都可以有一个或多个纹理坐标，用于指定纹理的哪一部分应该被映射到顶点上。在 OpenGL 中，纹理数据通常存储在纹理对象中。

5. 着色器（Shader）：着色器是运行在 GPU 上的小程序，用于控制图形的渲染过程。顶点着色器（Vertex Shader）用于处理顶点数据，片元着色器（Fragment Shader）用于计算像素的颜色。

6. 帧缓冲（Frame Buffer）：帧缓冲是一个内存区域，用于存储渲染的结果。在渲染过程中，OpenGL 会将图形绘制到帧缓冲中。帧缓冲中的数据最终可以被复制到屏幕上，或者被保存为图像文件。

以上就是 OpenGL 的一些基本组件，理解这些组件和概念是学习和使用 OpenGL 的基础。

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