TA学习之路——1.6 PC手机图形API介绍

1前言

电脑的工作原理：电脑是由各种不同的硬件组成，由驱动软件驱使硬件进行工作。所有的软件工程师都会直接或者间接的使用到驱动。
定义：是一个图形库，用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序接口（API)。针对GPU。

2 基础概念

2.1应用端

即我们自己的程序端，相对于opengl es,我们属于应用端。

2.2 图元

要渲染的几何物体，或者形状。比如要渲染一个正方形的图片，就是一个图元，要渲染两条直线，这两条直线也是图元。

2.3 纹理

可以理解为一张图片，在opengl es中纹理就是图片的另外一种叫法。

2.4 纹素

纹理的基础单元，也就是像素。

2.5 顶点数组

顶点指的是组成图元的各个顶点的坐标数据（在3D笛卡尔坐标中即x,y,z坐标)，这些坐标数据可以一起存到一个内存数组中，这个数组就叫做顶点数组。

2.6 顶点缓冲区

在显卡中专门分配一块显存来存储这个顶点数组，这个显存就称为顶点缓冲区

2.7 顶点着色器

2.7.1 作用

1.坐标变换：将顶点的局部坐标（模型空间）通过模型视图投影矩阵转换为裁剪空间坐标（gl_Position），供后续光栅化使用。
2.属性传递：处理顶点的颜色、法线、纹理坐标等属性，并通过out变量传递给片元着色器。这些属性在光栅化阶段会被插值。
**3.顶点动画：**实现动态效果，如波浪位移、布料模拟等，通过修改顶点位置或属性实现。

2.7.2 输入

1.attribute变量：每个顶点的固有属性（位置、颜色、法线等）。
2.统一变量（uniform）：全局数据（如变换矩阵、时间参数等）。

示例代码（GLSL):

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPosition;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoord;

out vec2 vTexCoord;
uniform mat4 modelViewProjection;

void main() {
    gl_Position = modelViewProjection * vec4(aPosition, 1.0);
    vTexCoord = aTexCoord;
}

2.8 片元着色器

2.8.1 作用

1.颜色计算：根据插值后的属性（如纹理坐标、法线）、纹理采样和光照模型，计算每个片元的最终颜色。
2.复杂效果：实现光照（Phong、PBR）、阴影、后处理（模糊、边缘检测）等。

2.8.2 输入

1.插值后的in变量（由顶点着色器传递）。
2.纹理、光照参数等uniform变量。

2.8.3 输出

片元颜色（如out vec4 FragColor或传统的gl_FragColor）。

示例代码（GLSL):

#version 330 core
in vec2 vTexCoord;
out vec4 FragColor;
uniform sampler2D uTexture;

void main() {
    FragColor = texture(uTexture, vTexCoord);
}

3.DirectX,OpenGL,OpenGL ES

Khronos定义了OpenGL微软自己定义了DirectX。
目前手机，不管是iOS还是Android都是支持OpenGL ES。
电脑：Windows系统支持DirectX和OpenGL，Linux/Mac(Unix)系统支持。

3.1 DirectX

3.1.1 定义与背景：

DirectX 是由微软开发的一套多媒体编程接口（API），主要用于 Windows 和 Xbox 平台的游戏开发和高性能图形应用。它包含多个组件，例如 Direct3D（3D 图形）、Direct2D（2D 图形）、DirectSound（音频）、DirectInput（输入设备）等，是一个综合性框架。

3.1.2 平台支持

主要支持 Windows 和 Xbox，其他平台（如 Linux）需通过第三方工具（如 Wine）间接支持。

3.1.3 特点

1.与 Windows 系统深度绑定，性能优化好。
2.提供完整的游戏开发工具链（如 HLSL 着色器语言、PIX 调试工具）。
3.最新版本 DirectX 12 支持底层硬件访问（类似 Vulkan），显著提升多线程性能。

3.2 OpenGL

3.2.1 定义与背景：

OpenGL（Open Graphics Library）是由 Khronos Group 维护的跨平台图形 API，专注于 2D/3D 渲染。它是行业标准，广泛应用于科学计算、CAD、游戏开发等领域。

3.2.2 平台支持

支持 Windows、Linux、macOS 等主流操作系统，以及部分移动端（需通过扩展）。

3.2.3 特点

1.纯图形 API，不包含音频或输入功能，需结合其他库（如 SDL）。
2.通过扩展机制支持新硬件特性（如 GLSL 着色器）。
3.更新缓慢，逐渐被 Vulkan 取代，但仍是跨平台开发的经典选择。

3.3 OpenGL ES

3.3.1 定义与背景：

OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是 OpenGL 的简化版本，专为移动设备、嵌入式系统（如智能手机、车载系统、游戏主机）设计。

3.3.2 平台支持

主要应用于 Android、iOS（通过 Metal 封装）、PlayStation Vita 等资源受限设备。

3.3.3 特点

1.移除高级功能（如固定管线），保留核心渲染功能。
2.高度优化功耗和性能，适合移动 GPU。
3.OpenGL ES 3.0+ 支持计算着色器等现代特性。

3.4 相同点

维度	说明
图形渲染核心	均基于 GPU 加速的渲染管线（顶点处理、光栅化、片元着色等）。
着色器支持	支持可编程着色器（DirectX 的 HLSL vs. OpenGL/GL ES 的 GLSL）。
跨平台潜力	OpenGL 和 GL ES 天然跨平台；DirectX 需借助其他技术（如 ANGLE）实现。
硬件抽象层	提供对 GPU 的统一访问，屏蔽底层硬件差异。

3.5 不同点

维度	DirectX	OpenGL	OpenGL ES
开发者	微软	Khronos Group	Khronos Group
核心用途	游戏开发（图形+音频+输入等完整方案）	跨平台图形渲染（仅图形）	移动/嵌入式图形渲染
平台绑定	Windows/Xbox	全平台（需驱动支持）	Android/iOS/嵌入式设备
功能复杂度	高（整合多模块）	中等（需搭配其他库	低（精简核心功能）
更新与生态	频繁更新（如 DX12 Ultimate）	已停滞（转向 Vulkan）	稳定（ES 3.2 为主流）
底层控制	DX12 支持底层 API	高层抽象，灵活性较低	类似 OpenGL，但更简化
典型应用场景	《赛博朋克 2077》（PC/Xbox）	Blender（3D 建模）、Unity	《原神》（移动端适配）

3.6 选择建议

1.Windows/Xbox 独占游戏 → DirectX 12（性能最优）。
2.跨平台桌面应用 → OpenGL 或 Vulkan（未来趋势）。
3.移动/嵌入式开发 → OpenGL ES 或 Vulkan（Android 主流）。
4.科学可视化/CAD → OpenGL（历史兼容性好）。

3.7 补充说明

1.Vulkan：作为 OpenGL 的继任者，提供类似 DirectX 12 的底层控制，跨平台且性能更强，逐渐成为移动和桌面开发的新标准。
2.Metal/Mantle：苹果的 Metal 和 AMD 的 Mantle（已停用）是特定平台的竞争技术，DirectX 和 Vulkan 仍是通用解决方案。