探索 OpenGL 音视频渲染技术（1）：简介

这个系列文章我们来介绍一位海外工程师如何探索 OpenGL 音视频渲染技术，对于想要开始学习音视频技术的朋友，这些文章是份不错的入门资料，这是第 1 篇：OpenGL 简介。

—— 来自公众号关键帧Keyframe的分享

在开始我们的旅程之前，我们首先应该定义 OpenGL 究竟是什么。OpenGL 主要被认为是一个 API（应用程序编程接口），它为我们提供了一组可以用来操作图形和图像的函数。然而，严格来说，OpenGL 并不是一个 API，而只是一个规范，由 Khronos Group 开发和维护。

OpenGL 规范详细规定了每个函数的输出结果和行为方式，但具体的实现细节则由开发人员自行决定。由于 OpenGL 规范并不提供实现细节，因此只要结果符合规范，不同的实现版本是可以接受的。

开发实际 OpenGL 库的通常是显卡制造商。你购买的每张显卡都支持特定版本的 OpenGL，这些版本是专门为该显卡（系列）开发的。在使用 Apple 系统时，OpenGL 库由 Apple 自行维护；而在 Linux 系统下，则存在显卡供应商版本和爱好者改编版本的组合。这也意味着，如果 OpenGL 表现异常，很可能是显卡制造商（或开发/维护库的人员）的责任。

由于大多数实现版本由显卡制造商开发，因此如果实现中存在漏洞，通常可以通过更新显卡驱动程序来解决。这些驱动程序包含了你的显卡支持的最新版本的 OpenGL。这也是为什么建议偶尔更新显卡驱动程序的原因之一。

Khronos 公开了所有 OpenGL 版本的规范文档。感兴趣的读者可以在这里找到我们使用的 OpenGL 3.3 版本的规范文档（它详细描述了函数的结果，而不是实现细节）。规范文档还提供了查找 OpenGL 函数确切工作原理的绝佳参考。

1、核心模式与立即模式

在早期，使用 OpenGL 意味着在立即模式（通常称为固定函数管线）下开发，这是一种易于使用的绘图方法。OpenGL 的大部分功能都隐藏在库中，开发人员对 OpenGL 的计算方式没有太多控制权。随着时间的推移，开发人员对灵活性的需求越来越高，规范也因此变得更加灵活；开发人员获得了更多的图形控制权。立即模式非常容易使用和理解，但它也非常低效。因此，从 3.2 版本开始，规范开始废弃立即模式功能，并开始鼓励开发人员使用 OpenGL 的核心模式，这是一种移除了所有旧版废弃功能的规范分支。

在使用 OpenGL 的核心模式时，OpenGL 强制我们使用现代实践。如果我们尝试使用 OpenGL 的废弃函数，OpenGL 会抛出错误并停止绘制。学习现代方法的优势在于它非常灵活和高效。然而，它也更难学习。立即模式抽象了 OpenGL 执行的实际操作，虽然容易学习，但很难理解 OpenGL 的实际工作原理。现代方法要求开发人员真正理解 OpenGL 和图形编程，虽然有点难，但它允许更大的灵活性、更高的效率，最重要的是：对图形编程的更好理解。

这也是为什么本书专注于 OpenGL 3.3 的核心模式。虽然它更难，但绝对值得努力。

截至今天，已经可以使用更高版本的 OpenGL（撰写本文时为 4.6），你可能会问：既然 OpenGL 4.6 已经发布，为什么还要学习 OpenGL 3.3？这个问题的答案相对简单。从 3.3 版本开始的所有后续版本都在 OpenGL 中添加了额外的有用功能，而没有改变 OpenGL 的核心机制；新版本只是引入了稍微更高效或更有用的方式来完成相同任务。结果是，所有概念和技术在现代 OpenGL 版本中保持不变，因此学习 OpenGL 3.3 是完全有效的。当你准备好并且/或更有经验时，你可以轻松地使用更近版本的特定功能。

当你使用最新版本的 OpenGL 功能时，只有最新的显卡才能运行你的应用程序。这就是为什么大多数开发人员通常以较低版本的 OpenGL 为目标，并可选地启用更高版本的功能。

在某些章节中，你会发现更现代的功能，这些功能会特别标注出来。

2、扩展

OpenGL 的一个伟大特性是它对扩展的支持。每当一家图形公司开发出一种新技术或一个大型渲染优化时，这通常会以扩展的形式出现在驱动程序中。如果应用程序运行的硬件支持这种扩展，开发人员可以使用扩展提供的功能来实现更高级或更高效的图形。这样，图形开发人员仍然可以使用这些新的渲染技术，而无需等待 OpenGL 在未来版本中包含这些功能，只需检查显卡是否支持该扩展即可。通常，当一个扩展流行或非常有用时，它最终会成为未来 OpenGL 版本的一部分。

开发人员必须在使用扩展之前查询这些扩展是否可用（或使用 OpenGL 扩展库）。这允许开发人员根据扩展是否可用，以更好或更高效的方式执行操作：

if(GL_ARB_extension_name)
{
    // 使用硬件支持的酷炫新现代功能
}
else
{
    // 扩展不支持：使用旧方法
}

在 OpenGL 3.3 中，我们很少需要为大多数技术使用扩展，但必要时会提供适当的说明。

3、状态机

OpenGL 本身是一个大型状态机：一组定义 OpenGL 当前操作方式的变量。OpenGL 的状态通常被称为 OpenGL 上下文。在使用 OpenGL 时，我们经常通过设置一些选项、操作一些缓冲区来更改其状态，然后使用当前上下文进行渲染。

例如，当我们告诉 OpenGL 现在要绘制线条而不是三角形时，我们通过更改某个上下文变量来更改 OpenGL 的状态，该变量设置 OpenGL 应该如何绘制。一旦我们通过告诉 OpenGL 绘制线条来更改上下文，下一个绘制命令将绘制线条而不是三角形。

在使用 OpenGL 时，我们会遇到许多更改状态的函数（更改上下文）和许多基于 OpenGL 当前状态执行操作的函数。只要你记住 OpenGL 本质上是一个大型状态机，它的大部分功能就会更容易理解。

4、对象

OpenGL 库是用 C 语言编写的，并允许在其他语言中进行许多派生，但在其核心中，它仍然是一个 C 库。由于许多 C 语言的构造在其他高级语言中并不容易转换，因此 OpenGL 是带着几个抽象概念开发的。其中一种抽象是 OpenGL 中的对象。

OpenGL 中的对象是一组选项的集合，代表 OpenGL 状态的一个子集。例如，我们可以有一个代表绘图窗口设置的对象；然后我们可以设置它的大小、支持的颜色数量等。可以将对象可视化为一个类似 C 的结构体：

struct object_name {
    float  option1;
    int    option2;
    char[] name;
};

每当我们要使用对象时，通常看起来像这样（将 OpenGL 上下文可视化为一个大型结构体）：

// OpenGL 的状态
struct OpenGL_Context {
   ...
   object_name* object_Window_Target;
   ...
};

// 创建对象
unsignedint objectId = 0;
glGenObject(1, &objectId);
// 将对象绑定到上下文的目标位置
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, objectId);
// 设置当前绑定到 GL_WINDOW_TARGET 的对象的选项
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_WIDTH,  800);
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_HEIGHT, 600);
// 将上下文目标恢复为默认值
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, 0);

这段代码是你在使用 OpenGL 时会频繁看到的工作流程。我们首先创建一个对象，并存储一个引用作为 ID（实际对象的数据在后台存储）。然后我们将对象（使用其 ID）绑定到上下文的目标位置（示例中窗口对象目标的位置定义为 GL_WINDOW_TARGET）。接下来我们设置窗口选项，最后通过将窗口目标的当前对象 ID 设置为 0来解除绑定。我们设置的选项存储在 objectId 引用的对象中，并在我们将对象重新绑定到 GL_WINDOW_TARGET 时恢复。

本书中提供的代码示例只是 OpenGL 运行方式的近似值；在书中你会看到足够多的实际示例。

使用这些对象的一个好处是，我们可以在应用程序中定义多个对象，设置它们的选项，每当我们要执行使用 OpenGL 状态的操作时，我们只需绑定具有我们偏好的设置的对象。例如，有一些对象作为 3D 模型数据的容器对象（如房屋或角色），每当我们要绘制其中一个时，我们只需绑定包含我们要绘制的模型数据的对象（我们之前已经创建并设置了这些对象的选项）。拥有多个对象允许我们指定许多模型，每当我们要绘制一个特定的模型时，我们只需在绘制前绑定相应的对象，而无需再次设置它们的所有选项。