一、 OpenGL簡介

• OpenGL（Open Graphics Library）是一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程圖形程序接口，它將計(jì)算機(jī)的資源抽象稱為一個(gè)個(gè)OpenGL的對象，對這些資源的操作抽象為一個(gè)個(gè)的OpenGL指令
• OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是 OpenGL 三維圖形 API 的子集，針對手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)，去除了許多不必要和性能較低的API接口。
• DirectX:是由很多API組成的，DirectX并不是一個(gè)單純的圖形API. 最重要的是DirectX是屬于Windows上一個(gè)多媒體處理API.并不支持Windows以外的平臺(tái),所以不是跨平臺(tái)框架. 按照性質(zhì)分類，可以分為四大部分，顯示部分、聲音部分、輸入部分和網(wǎng)絡(luò)部分.
  • 顯示部分擔(dān)任圖形處理的關(guān)鍵，分為DirectDraw（DDraw）和Direct3D（D3D），前者主要負(fù)責(zé)2D圖像加速。后者則主要負(fù)責(zé)3D效果的顯示，比如CS中的場景和人物、FIFA中的人物等等，都是使用了DirectX的Direct3D。
  • 聲音部分中最主要的API是DirectSound，除了播放聲音和處理混音之外，還加強(qiáng)了3d音效，并提供了錄音功能
• Metal: Apple為游戲開發(fā)者推出了新的平臺(tái)技術(shù) Metal，該技術(shù)能夠?yàn)?3D 圖像提高 10 倍的渲染性能.Metal 是Apple為了解決3D渲染而推出的框架,在2014年以前蘋果一直沿用OpenGL ES 來解決底層渲染.而后開始慢慢將自身的底層框架的依賴從OpenGL ES遷移到Metal.但其核心的處理思想還是源于OpenGL ES.對于適應(yīng)于OpenGL ES的開發(fā)者而言并沒有太大的改變.

引言:
從2014年到2018年.蘋果才完成了系統(tǒng)內(nèi)部從OpenGL ES過度到Metal.直到WWDC 2018，Apple 宣布 iOS 12 將棄用 OpenGL / CL.

二、OpenGL使用場景

• 在游戲開發(fā)中,對于游戲場景/游戲人物的渲染
• 在音視頻開發(fā)中,對于視頻解碼后的數(shù)據(jù)渲染
• 在地圖引擎,對于地圖上的數(shù)據(jù)渲染
• 在動(dòng)畫中,實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的繪制
• 在視頻處理中,對于視頻加上濾鏡效果
• 等等......

三、OpenGL專業(yè)名詞解析

• OpenGL 上下文(context)

  在應(yīng)用程序調(diào)用任何OpenGL的指令之前，需要安排首先創(chuàng)建一個(gè)OpenGL的上下文。這個(gè)上下文是一個(gè)非常龐大的狀態(tài)機(jī)，保存了OpenGL中的各種狀態(tài)，這也是OpenGL指令執(zhí)行的基礎(chǔ)。

  OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語言中，都是類似C語言一樣的面向過程的函數(shù)，本質(zhì)上都是對OpenGL上下文這個(gè)龐大的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對象進(jìn)行操作，當(dāng)然你得首先把這個(gè)對象設(shè)置為當(dāng)前對象。因此，通過對OpenGL指令的封裝，是可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)用封裝成為一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形API的。

  由于OpenGL上下文是一個(gè)巨大的狀態(tài)機(jī)，切換上下文往往會(huì)產(chǎn)生較大的開銷，但是不同的繪制模塊，可能需要使用完全獨(dú)立的狀態(tài)管理。因此，可以在應(yīng)用程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下文，在不同線程中使用不同的上下文，上下文之間共享紋理、緩沖區(qū)等資源。這樣的方案，會(huì)比反復(fù)切換上下文，或者大量修改渲染狀態(tài)，更加合理高效的。

• OpenGL 狀態(tài)機(jī)

  狀態(tài)機(jī)是理論上的一種機(jī)器，我們可以把狀態(tài)機(jī)描述成一個(gè)對象在其生命周期中所經(jīng)歷的各種狀態(tài)，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，發(fā)生轉(zhuǎn)變的動(dòng)因，條件及轉(zhuǎn)變中所執(zhí)行的活動(dòng)。或者說是一種行為，說明對象在其生命周期中響應(yīng)事件所經(jīng)歷的狀態(tài)序列以及那些狀態(tài)事件的響應(yīng)。因此具有以下特點(diǎn)：

  1. 有記憶功能，能記住當(dāng)前的狀態(tài)。
  2. 可以接收輸入，根據(jù)輸入的內(nèi)容和自己的原先狀態(tài)，修改自己當(dāng)前狀態(tài)，并且可以有對應(yīng)輸出
  3. 當(dāng)進(jìn)入特殊狀態(tài)（停機(jī)狀態(tài)）的時(shí)候，將不再接收輸入，停止工作。

  在OpenGL中

  1. OpenGL可以記錄自己的狀態(tài)（如當(dāng)前所使用的顏色，是否開啟了混合功能等）
  2. OpenGL中可以接收輸入（當(dāng)調(diào)用OpenGL函數(shù)的時(shí)候，實(shí)際上可以看成OpenGL在接收我們的輸入），我們調(diào)用glColor3f，則OpenGL接收到這個(gè)輸入后會(huì)就修改自己的“當(dāng)前狀態(tài)”這個(gè)狀態(tài)。
  3. OpenGL可以計(jì)入停止?fàn)顟B(tài)，不再接收輸入。程序在退出前，OpenGL總會(huì)先停止工作的。

  我們可以使用glColor*函數(shù)來選擇一種顏色，以后繪制的所有物體顏色都是這種顏色，除非再次使用glColor*函數(shù)重新設(shè)置。

  可以使用glColor*函數(shù)來選擇一種顏色，以后繪制的所有物體都是這種顏色，除非再次使用glColor*函數(shù)重新設(shè)定。

  可以使用glTexCoord*函數(shù)來設(shè)置一個(gè)紋理坐標(biāo)，以后繪制的所有物體都是采用這種紋理坐標(biāo)，除非再次使用glTexCoord*函數(shù)重新設(shè)置。

  可以使用glBlendFunc函數(shù)來指定混合功能的源因子和目標(biāo)因子，以后繪制的所有物體都是采用這個(gè)源因子和目標(biāo)因子，除非再次使用glBlendFunc函數(shù)重新指定。

  可以使用glLight*函數(shù)來指定光源的位置、顏色，以后繪制的所有物體都是采用這個(gè)光源的位置、顏色，除非再次使用glBlendFunc函數(shù)重新指定。

OpenGL是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，它保持自身的狀態(tài)，除非用戶輸入一條命令讓它改變狀態(tài)。

例如:

//獲取是否深度測試/混合
glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST);
glIsEnabled(GL_BLEND);

//開啟深度測試/混合
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_BLEND);

//關(guān)閉深度測試/混合
glDisable(GL_DEPTH_TEST);
glDisable(GL_BLEND);

• 渲染（Rendering）

  將圖形/圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D空間圖像叫做渲染（Rendering）

• 頂點(diǎn)數(shù)組（VertexArray）和頂點(diǎn)緩沖區(qū)（VertexBuffer）

  畫圖一般是先畫好圖像的骨架，然后在往骨架中填充顏色，對于OpenGL也是一樣的。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)就是要畫的骨架，和現(xiàn)實(shí)中不同的是，OpenGL中的圖像都是由圖元組成。在OpenGLES中，有三種類型的圖元：點(diǎn)、線、三角形。這些頂點(diǎn)數(shù)據(jù)一般存儲(chǔ)在內(nèi)存中。開發(fā)者可以選擇函數(shù)指針，在調(diào)用繪制方法的時(shí)候，直接由內(nèi)存?zhèn)魅腠旤c(diǎn)數(shù)據(jù)。這部分被稱為頂點(diǎn)數(shù)組。一般性能高的做法是提前分配一塊顯存，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳入到顯存中去，這部分顯存就稱作頂點(diǎn)緩沖區(qū)。

  頂點(diǎn)是指我們在繪制一個(gè)圖形的時(shí)候，他在頂點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，而這個(gè)數(shù)據(jù)一般是存儲(chǔ)在內(nèi)存數(shù)組中或者將其緩存到GPU內(nèi)存中。

• 管線

  OpenGL中渲染圖形一般會(huì)經(jīng)歷一個(gè)一個(gè)的節(jié)點(diǎn)，一般我們把這些節(jié)點(diǎn)稱作為管線，可以想象成流水線，每個(gè)任我類似流水線一般執(zhí)行，任務(wù)之間有先后順序。管線是一個(gè)抽象的概念，之所以成為管線是因?yàn)轱@卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候是按照一個(gè)固定的順序來的，而且嚴(yán)格按照這個(gè)順序執(zhí)行。

• 固定管線

  在早期OpenGL版本，它封裝了很多著色器程序內(nèi)置的一端包含光照、坐標(biāo)變換、剪裁等等諸多功能的固定shader程序來完成，來幫助開發(fā)者來完成圖形的渲染，而且開發(fā)者只需要傳入相應(yīng)的參數(shù)，就能快速的完成圖形的渲染，類似于iOS開發(fā)中封裝的API，我們只需要調(diào)用，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，不需要關(guān)注底層的原理。

  但是OpenGL使用場景非常豐富，固定管線或者存儲(chǔ)著色器無法完成每一個(gè)業(yè)務(wù)，這時(shí)我們就需要開放成可編程的。

• 著色器程序（Shader）

就全面的將固定渲染管線架構(gòu)面成了可編程的渲染管線。因此，OpenGL在實(shí)際調(diào)用繪制函數(shù)之前，我們需要制定一個(gè)shader編譯成的著色器程序。常見的著色器有頂點(diǎn)著色器（VertexShader）、片段著色器（fragmentShader）/片元著色器（fragmentShader）/像素著色器（PixelShader）、幾何著色器（GeimetryShader）、曲面細(xì)分著色器（TessellationShader）。直到OpenGL3.0，只支持頂點(diǎn)著色器和片元著色器。

OpenGL在處理shader是，和其他編程一樣。通過編譯、鏈接等步驟，生成了著色器程序（glProgram），著色器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著色器和片元著色器的運(yùn)算邏輯。在OpenGL進(jìn)行繪制的時(shí)候，首先由頂點(diǎn)著色器對傳入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行圖元裝配，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元。然后進(jìn)行光柵化處理，將圖元這種矢量圖形轉(zhuǎn)換為柵格化數(shù)據(jù)。最后，將柵格化數(shù)據(jù)傳入片元著色器中進(jìn)行運(yùn)算。片元著色器會(huì)對柵格化數(shù)據(jù)的每一個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)算，并決定像素的顏色。

• 頂點(diǎn)著色器（VertexShader）

  一般用于處理每個(gè)圖形的頂點(diǎn)變換的（旋轉(zhuǎn)/平移/投影等）

  頂點(diǎn)著色器是OpenGL中可用于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序。頂點(diǎn)著色器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序。也就是每個(gè)頂點(diǎn)都會(huì)執(zhí)行一次頂點(diǎn)著色器，當(dāng)然這是并行的，并且頂點(diǎn)著色器運(yùn)算過程中無法訪問其他頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。

  一般來說典型的粗腰計(jì)算的頂點(diǎn)屬性質(zhì)保包括頂點(diǎn)坐標(biāo)變換、頂點(diǎn)光照運(yùn)算等。頂點(diǎn)坐標(biāo)由自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換歸一化坐標(biāo)系的計(jì)算，就是在這里發(fā)生的。

• 片段著色器（fragmentShader）

  一般用于處理圖形中每個(gè)像素的顏色的計(jì)算和填充

  片段著色器是OpenGL中用于計(jì)算片段（像素）顏色的程序。片段著色器是逐像素運(yùn)算的程序，也就是說每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)行一次片段著色器，當(dāng)然也是并行的。

• GLSL（OpenGL Shading Language）

  OpenGL著色語言（OpenGL shading Language）是用來在OpenGL中著色編程的語言，也是開發(fā)者寫的自定義程序，他們實(shí)在圖形的GPU上執(zhí)行的。代替了固定的渲染管線的一部分，使渲染管線中不同層次具有可編程性。比如：視圖轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等。GLSL（GL Shading Language）的著色器代碼分成2個(gè)部分：Vertex Shader（頂點(diǎn)著色器）和Fragment（片斷著色器）

• 光柵化（Rasterization）

  是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成片元的過程。具有將圖形化為一個(gè)個(gè)柵格組成的圖像的作用，特點(diǎn)是每個(gè)元素對應(yīng)幀緩沖中的每一個(gè)像素。

  光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成片元的過程。片元中的每一個(gè)元素對應(yīng)緩沖區(qū)中的一個(gè)像素。

  光柵化其實(shí)就是一種將幾何圖元變成二位圖像的過程。該過程包含了兩個(gè)部分。第一部分：決定窗口坐標(biāo)中那些整型柵格區(qū)域被基本圖元占用；第二部分：分配一個(gè)顏色值和深度值到各個(gè)區(qū)域。

  把物體的數(shù)學(xué)描述以及與物體相關(guān)的顏色信息轉(zhuǎn)換為屏幕上用于對應(yīng)位置額的像素及用于填充像素的顏色，這個(gè)過程稱作光柵化。

• 紋理

  紋理我們可以理解為圖片。在渲染圖形中需要編碼填充圖片，為了使得場景更加逼真 而這里使用的圖片就是常說的紋理，但是在OpenGL，我們更常叫紋理

• 混合（Blending）

  在測試階段之后，如果像素依然沒有被剔除，那么像素的顏色將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏色附著上的顏色進(jìn)行混合，混合的算法可以通過OpenGL的函數(shù)進(jìn)行指定。但是OpenGL提供的混合算法是有限的，如果需要更加復(fù)雜的混合算法，一般可以通過像素著色器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)比原生的混合算法差一些。

• 變換矩陣

  例如圖形想發(fā)生平移,縮放,旋轉(zhuǎn)變換.就需要使用變換矩陣.

• 投影矩陣（Projection）

  用于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維屏幕坐標(biāo),實(shí)際線條也將在二維坐標(biāo)下進(jìn)行繪制.

• 渲染上屏/交換緩沖區(qū)（SwapBuffer）

  渲染緩沖區(qū)一般映射的是系統(tǒng)的資源比如窗口。如果將圖像直接渲染到窗口對應(yīng)的渲染緩沖區(qū)，則可以將圖像顯示到屏幕上。

  但是，值得注意的是，如果每個(gè)窗口只有一個(gè)緩沖區(qū)，那么在繪制過程中屏幕進(jìn)行了刷新，窗口可能顯示出不完整的圖像。

  為了解決這個(gè)問題，常規(guī)的OpenGL程序至少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)。顯示在屏幕上的稱為屏幕緩沖區(qū)，沒有顯示的稱為離屏緩沖區(qū)。在一個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后，通過將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上的顯示。

  由于顯示器的刷新一般是逐行進(jìn)行的，因此為了防止交換緩沖區(qū)的時(shí)候屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個(gè)不同的幀，因此交換一般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)，在顯示器兩次刷新的間隔中進(jìn)行交換，這個(gè)信號(hào)就被稱為垂直同步信號(hào)，這個(gè)技術(shù)被稱為垂直同步。

  使用了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術(shù)之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進(jìn)行下一幀的渲染，使得幀率無法完全達(dá)到硬件允許的最高水平。為了解決這個(gè)問題，引入了三緩沖區(qū)技術(shù)，在等待垂直同步時(shí)，來回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，而垂直同步發(fā)生時(shí)，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換，實(shí)現(xiàn)充分利用硬件性能的目的。

OpenGL坐標(biāo)系

2D笛卡爾坐標(biāo)系

在二維繪圖中,最為常用的坐標(biāo)系統(tǒng)是笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng). 笛卡爾坐標(biāo)由一個(gè)X和一個(gè)Y坐標(biāo)構(gòu)成.X表示水平方向位置,Y表示垂直方向的位置.

2D笛卡爾坐標(biāo)系

3D笛卡爾坐標(biāo)系

將2D笛卡爾坐標(biāo)系系統(tǒng)擴(kuò)展到三維空間中.從水平和垂直方向,增加了深度分量.
增加的深度分量用Z來表示,Z軸同時(shí)垂直于X,Y軸.它代表的是一條從屏幕中心朝向讀者的直線.
為了更好的觀察,我們將Y軸向做旋轉(zhuǎn),把X軸向下和后渲染.否則Z軸將直面我們,我們無法具體觀察到Z軸存在.
現(xiàn)在我們可以用3個(gè)坐標(biāo)(X,Y,Z)來指定三維空間中的一個(gè)位置.

3D笛卡爾坐標(biāo)系

視口

窗口是以像素為單位度量. 在開始在窗口中繪制點(diǎn),線,形狀之前,必須告訴OpenGL 如何把指定坐標(biāo)映射為屏幕坐標(biāo).
坐標(biāo)系統(tǒng)必須從邏輯笛卡爾坐標(biāo)映射到物理屏幕像素坐標(biāo). 這個(gè)映射是通過一種叫做視口(viewPort)的設(shè)置來指定.
在我們代碼中,我們會(huì)通過glViewPort函數(shù)來實(shí)現(xiàn)視口的設(shè)計(jì). 視口就是窗口內(nèi)部用于繪制裁剪區(qū)域的客戶區(qū)域.

視口

視口

投影:從3D到2D

不管我們覺得自己的眼睛看到的三維立體圖像多么真實(shí).屏幕上像素實(shí)際上只有二維的. 我們的手機(jī)屏幕本身就是二維的,我們是無法真實(shí)去呈現(xiàn)立體圖形.

那么OpenGL 是如何將笛卡爾坐標(biāo)系映射成可以在屏幕上顯示的二維坐標(biāo)的?
在這里需要用到投影.我們需要指定投影空間,指定在窗口顯示的視景體(Viewing Volume).并指定如何對它進(jìn)行變換.

舉例子: 類似于立體圖像站在鏡子前.
投影分為2種.

• 第一種正投影(Orthographics Projection)或平行投影. 使用正投影時(shí),需要指定一個(gè)正方形/長方形的視景體. 在視景體以外的任何物體都不會(huì)被繪制. 并且使用正投影所以實(shí)際大小相同的物體在屏幕上都具有相同的大小.不管它們是否存在遠(yuǎn)近問題. 正投影比較適合平面圖形/2D圖形渲染時(shí)使用.
• 第二種透視投影(Perspective Projection).它在3D開發(fā)中更為常見. 同樣需要指定視景體的.而這個(gè)視景體并不是類似于正方體,看起來像平截體. 透視投影一般會(huì)使用于3D圖像渲染.因?yàn)樗鼤?huì)更加逼真.

投影方式

左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系

左手/右手坐標(biāo)系

注意OpenGL中坐標(biāo)系 OpenGL中的物體、世界、照相機(jī)坐標(biāo)系都屬于右手坐標(biāo)系，而規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)系使用左手坐標(biāo)系。籠統(tǒng)地說OpenGL使用右手坐標(biāo)系是不合適的。

坐標(biāo)系

OpenGL 希望每次頂點(diǎn)著色后，我們的可見頂點(diǎn)都為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)（Normalized Device Coordinate,NDC）。也就是說每個(gè)頂點(diǎn)的z,y,z都應(yīng)該在?1到1之間，超出這個(gè)范圍的頂點(diǎn)將是不可見的。

通常情況下我們會(huì)自己設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)范圍，之后再在頂點(diǎn)著色器中將這些坐標(biāo)變換為表轉(zhuǎn)化設(shè)備坐標(biāo)。然后這些標(biāo)化設(shè)備坐標(biāo)傳入光柵器（Rasterizer）,將它們變換為屏幕上的二維坐標(biāo)和像素。

將坐標(biāo)變換為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)，接著再轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)的過程通常是分步進(jìn)行的，也就是類似于流水線那樣子。在流水線中，物體的頂點(diǎn)在最終轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)之前還會(huì)被變換到多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)(Coordinate System)。將物體的坐標(biāo)變換到幾個(gè)過渡坐標(biāo)系(Intermediate Coordinate System)的優(yōu)點(diǎn)在于，在這些特定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，一些操作或運(yùn)算更加方便和容易，這一點(diǎn)很快就會(huì)變得很明顯。對我們來說比較重要的總共有5個(gè)不同的坐標(biāo)系統(tǒng)

• 局部空間(Local Space，或者稱為物體空間(Object Space))
• 世界空間(World Space)
• 觀察空間(View Space，或者稱為視覺空間(Eye Space))
• 裁剪空間(Clip Space)
• 屏幕空間(Screen Space)

就是一個(gè)頂點(diǎn)在最終被轉(zhuǎn)化為片段之前需要經(jīng)歷的所有不同狀態(tài).為了將坐標(biāo)從一個(gè)坐標(biāo)系變換到另一個(gè)坐標(biāo)系，我們需要用到幾個(gè)變換矩陣，最重要的幾個(gè)分別是模型(Model)、觀察(View)、投影(Projection)三個(gè)矩陣。物體頂點(diǎn)的起始坐標(biāo)再局部空間（Local Space）,這里稱它為局部坐標(biāo)（Local Coordinate），它在之后會(huì)變成世界坐標(biāo)（world Coordinate）,觀測坐標(biāo)（View Coordinate）,裁剪坐標(biāo)（Clip Coordinate）,并最后以屏幕坐標(biāo)（Screen Corrdinate）的形式結(jié)束

在3D圖形學(xué)中常用的坐標(biāo)系:

• 世界坐標(biāo)系
• 物體坐標(biāo)系
• 攝像機(jī)坐標(biāo)系
• 慣性坐標(biāo)系

世界坐標(biāo)系: 世界坐標(biāo)系是系統(tǒng)的絕對坐標(biāo)系,在沒有建立用戶坐標(biāo)系之前畫面上所有的點(diǎn)的坐標(biāo)都可以在該坐標(biāo)系的原點(diǎn)來確定各自的位置.世界坐標(biāo)系始終是固定不變的

物體坐標(biāo)系: 每個(gè)物體都有他們獨(dú)立的坐標(biāo)系.當(dāng)物理移動(dòng)或者改變方向時(shí).該物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系將隨之移動(dòng)或改變方向

物體坐標(biāo)系是以物體本身而言，比如，我先向你發(fā)指令，“向前走一步”,是向您的物體坐標(biāo)體系指令。我并不知道你會(huì)往哪個(gè)絕對的方向移動(dòng)。比如說，當(dāng)你開車時(shí)，有人會(huì)說向左轉(zhuǎn)，有人說向東。但是，向左轉(zhuǎn)是物體坐標(biāo)系的概念，而向東則是世界坐標(biāo)系中的。

在某種情況下，我們可以理解物體坐標(biāo)系為模型坐標(biāo)系。因?yàn)槟Ｐ晚旤c(diǎn)的坐標(biāo)都是在模型坐標(biāo)系中描述的。

攝像機(jī)（照相機(jī)）坐標(biāo)系:在坐標(biāo)系的范疇里，攝像機(jī)坐標(biāo)系和照相機(jī)坐標(biāo)系都是一樣的意義。照相機(jī)坐標(biāo)系是和觀察者密切相關(guān)的坐標(biāo)系。照相機(jī)坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系相似，差別在于照相機(jī)坐標(biāo)系處于3D空間中，而屏幕坐標(biāo)系在2D平面里。

攝像機(jī)坐標(biāo)系

慣性坐標(biāo)系: 指的是世界坐標(biāo)系到物體坐標(biāo)系的"半途". 慣性坐標(biāo)系的原點(diǎn)和物體坐標(biāo)原點(diǎn)重合,但慣性坐標(biāo)系的軸平行于世界坐標(biāo)系的軸.

為什么要引入慣性坐標(biāo)系?因?yàn)槲矬w坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系只需要旋轉(zhuǎn),從慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系只需要平移.

OpenGL坐標(biāo)系

坐標(biāo)變換的全局圖

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

在上面的圖中，注意，OpenGL只定義了裁剪坐標(biāo)系、規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系，而局部坐標(biāo)系(模型坐標(biāo)系)、世界坐標(biāo)系和照相機(jī)坐標(biāo)系都是為了方便用戶設(shè)計(jì)而自定義的坐標(biāo)系，它們的關(guān)系如下圖所示

• 圖中左邊的過程包括模型變換、視變換，投影變換，這些變換可以由用戶根據(jù)需要自行指定，這些內(nèi)容在頂點(diǎn)著色器中完成；

• 圖中右邊的兩個(gè)步驟，包括透視除法、視口變換，這兩個(gè)步驟是OpenGL自動(dòng)執(zhí)行的，在頂點(diǎn)著色器處理后的階段完成。

將坐標(biāo)系統(tǒng)組合在一起

坐標(biāo)系統(tǒng)組合

OpenGL 然后對裁剪坐標(biāo)執(zhí)行透視除法從而將它們變換到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)。OpenGL 會(huì)使用 glViewPort 內(nèi)部的參數(shù)來將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)映射到屏幕坐標(biāo)，每個(gè)坐標(biāo)都關(guān)聯(lián)了一個(gè)屏幕上的點(diǎn)。這個(gè)過程稱為視口變換