OpenGL图形编程（一）

概要:
1、图形和渲染简介
2、shader和GLSL
3、OpenGL简介

我们在屏幕上看见的所有东西，都可以简单的看成是以二维数组格式存储的像素（pixels）。

上图中，每一个方块是一个像素（pixel），注：pixel一词来源于“Picture Element”。我们把pixels组成的二维数组叫做image。
既然我们看到的图形只是二维pixels数组，那怎么表现出3D世界？3D图形学就是通过一系列的转换计算改变这些像素的颜色，让我们以为在屏幕上看到的是3D的世界，这个过程叫做渲染（rendering）。通过显卡做这些3D转换的过程，叫做光栅化（rasterization）。在光栅化过程中，所有物体都被看成是一个空壳，所有的空壳都是由不共线的三角形组成（因为三角形的三个顶点一定是共面的）；如果离得很近去看，每一个看似圆形的面，都是由许多小的三角形组成的。组成一个物体的一系列三角形通常被叫做 模型（model）或 网格（mesh）。

光栅化有好几个阶段，这些阶段是在一个被叫做管线（pipeline）的东西里进行的：在管线上面放进去三角形数据，然后从下面出来2D的图形。这些三角形是以放入的顺序，一个一个画出来的。

OpenGL是一种访问光栅化过程的API。

光栅化过程总览：
1、裁剪空间转换（Clip Space Transformation）
光栅化的第一步，就是把所有的顶点转换到一个特殊的有限区域的空间里，在这个空间里的物体会被渲染，空间之外的则不会被渲染。这块空间，在OpenGL里，叫做裁剪空间（Clip Space），区域外的三角形会被抛弃，有一半在区域内的三角形会被“裁剪”成多个包含在空间内部的小三角形；空间里的三角形每个顶点的位置，我们称之为裁剪坐标（clip coordinates）。
裁剪坐标和常规的三维坐标有一点点不同的是，它有4个坐标：除了XYZ坐标，还有一个W坐标，这个坐标通常代表裁剪空间相对于这个点的坐标的长度（听起来有些别扭，其实不难理解，我们往后看）。
一个三角形的每个顶点对应的裁剪空间有可能是不同的，这个区域在XYZ方向的范围都是[-W,W]，所以，具有不同W坐标的点，他们是村存在于不同的裁剪空间的。
在裁剪空间里，+X指向右，+Y指向上，而+Z指向远方。
2、标准坐标系（Normalized Coordinates）
裁剪空间因为有不用的W长度，所以计算起来很不方便。所以，我们要把裁剪坐标转换到一个更合理的坐标系 标准设备坐标系（normalized device coordinates）；这个转换很简单，就是把每个顶点的XYZ除以W。其实，标准设备坐标系，就是裁剪坐标系，只是XYZ的范围都变成了标准的[-1,1]。

3、窗口转换（Window Transformation）
光栅化的下个过程，还是要对顶点做一些转换，从标准坐标系转换到和OpenGL正在运行的窗口有关的窗口坐标系。
这里，虽然和窗口有关了，但这些点，还都保留着3D的坐标：X向右，Y向上，Z向远方。窗口坐标系和裁剪坐标系唯一区别是，边界不同了：窗口坐标系的Z [0,1]，在这之外的点不能显示出来；X和Y取决于当前运行OpenGL窗口的大小，XY坐标系的原点在左下角。
4、光点转换（Scan Conversion）
这个过程根据三角形盖住窗口上像素的程度，把三角形以像素的形式显示出来。这个过程只用到了X和Y坐标，Z坐标的作用，我们后面会提到。

三角形经过光点转换之后得到的结果，是一系列覆盖这个三角形形状的片段（fragments），每个片段都有与之相关的窗口坐标系XY和Z坐标。
5、片段处理(Fragment Processing)
这个阶段，会把上阶段的片段转换成一个或多个颜色值 和 一个深度值，单个三角形产生的所有片段处理顺序是无序的，或者说是互不相干的（这里应该是并行处理的）。但是，因为不同三角形之间可能会有遮盖，所以，来自不同三角形的片段，不能同时处理，一个三角形的所有片段处理完之后，才能处理下一个三角形片段。这个阶段我们通过OpenGL API可以参与很大一部分过程，具体的细节后面再详解。
6、片段写入（Fragment Writing）
这个阶段，带有颜色和深度的片段会经过很多的计算，然后写入image。
到这里光栅化过程就结束了。

shader是用来在渲染操作某个阶段运行的一段程序。
GLSL（OpenGL Shading Language）是OpenGL的主要shader语言。语法很像C，但是和C语言也有很多不同。


OpenGL可以理解成一套API（其实严格的说，是一套标准，或文档），有很多种语言的实现，但底层实现都依赖于C API。
OpenGL被设计成一个状态机，几乎所有的function都是改变或返回某个特定状态。唯一例外是那些直接引起渲染的方法。
关于OpenGL版本：OpenGL有很多个version的规范，但大多数情况下最新的API都能向下兼容旧的API，唯一的例外是3.0版本，这个版本把很多旧版本的function 标记成了 deprecated （不推荐使用的），并且在3.1版本里，删除了这些function。这样，就产生了2个规范，核心规范和通用规范（保留了3.1删除的functions），但是我们不用担心，没有哪个OpenGL驱动开发者会只实现驱动的核心规范，所以，可以认为，所有opengl版本都是向下兼容的。
这个系列的OpenGL文章，要求硬件最低需要支持OpenGL version 3.3。需要GeForce 8xxx 以上显卡,或者 Radeon HD 系列显卡。这些卡也是支持“Direct3D 10”的卡。