作者：张辰
单位：中国移动智慧家庭运营中心
来源：移动Labs
随着硬件计算能力越来越强大，GPU的功能在近几年也得到了前所未有的提升，无论是游戏狂热爱好者还是不爱玩游戏的普通用户都在5G和AR VR的变革中受到了不同程度的影响，有的可能从技术提升中得到了更好的游戏体验，有的可能在虚拟现实中找到了另一种娱乐方式，比如迪士尼裸眼3D技术让游客可以体验到身临其境般的感觉，这些技术的基础都与渲染技术密切相关，那这次我们就来了解下基础的渲染技术。
Part 01、渲染技术基本API
目前通用的底层渲染使用的API接口主要有以下几种：
微软公司在Microsoft Windows操作系统上所开发的一套3D绘图编程接口，是DirectX的一部分，目前广为各家显示卡所支援，是与OpenGL同为电脑绘图软体和电脑游戏最常使用的两套绘图编程接口之一,目前只在Windows平台上可用。
OpenGL(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)。OpenGL常用于CAD、虚拟实境、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，对于不同的平台，opengl开发出了不同的版本如OpenGL，OpenGL Es,WebGL，满足了渲染接口对不同平台的兼容性。
Vulkan是一个跨平台的2D和3D绘图应用程序接口(API)，最早由科纳斯组织(Khronos Group) 在2015年游戏开发者大会(GDC)上发表。科纳斯最先把VulkanAPI称为“下一代OpenGL行动”(next generation OpenGL initiative)或“glNext”，但在正式宣布Vulkan之后这些名字就没有再使用了。就像OpenGL，Vulkan针对实时3D程序(如电子游戏)设计，Vulkan并计划提供高性能和低CPU管理负担(overhead)，这也是Direct3D12和AMD的Mantle的目标。Vulkan兼容Mantle的一个分支，并使用了Mantle的一些组件。Vulkan旨在提供更低的CPU开销与更直接的GPU控制，其理念大致与Direct3D 12和Mantle类似。Vulkan不再使用OpenGL的状态机设计，内部也不保存全局状态变量。显示资源全然由应用层负责管理，包括内存管理、线程管理、多线程绘制命令产生、渲染队列提交等。应用程序能够充分利用CPU的多核多线程的计算资源，降低CPU等待，降低延迟。但带来的问题是：线程间的同步问题也由应用程序负责，从而对开发人员的要求也更高。
在WWDC 2014上，Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为3D图像提高10倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。Metal 是一项全新的技术，专为开发高临场感主机游戏的开发者打造，可让开发者全力发挥A7和A8芯片的性能。该技术经过优化，使处理器和图形处理器能够协同工作来实现最优性能。它专为多线程而设计，并提供各种出色工具将所有素材整合在Xcode中。
Part 02、用OpenGL来渲染一个简单的三角形
我们前面了解了目前常用的图形学渲染API，那我们现在就用其中的一种来实践一下吧。
我们的目标是通过提供的API接口来渲染一个三角形，所以我们要先了解一下用OpenGL渲染的一些基础知识。
2.1 渲染管线
无论是OpenGL 还是其他的渲染API，其设计的逻辑都是将渲染的流程抽象为管线的形式（Graphics Pipeline），顾名思义，渲染管线就是将3D或者2D的图像通过一系列的处理，最终显示在屏幕上的处理流水线，类似于工厂用生产猪肉罐头的产品线，无非是到哪一步做哪些事。下面我们看下基础的流水线图（visio）：
首先，我们要准备好顶点数据，可以看做一个顶点的数组，后续渲染的操作都是由顶点的计算开始的，一个三维的顶点数据在顶点着色器中会经过坐标系变换、光照计算、投影计算等最终留下需要渲染的顶点，送到下一步继续处理。
在上一步得到的顶点数据中，通过开发者配置的图元信息，来将得到的顶点组装成图元，如（顶点，线，三角形，多边形等），然后将装配好的图元送到几何着色器中重新细化几何图案。如原本的图元是三角形，可以通过添加顶点的方式，将其变换为多个三角形，也可以变换为多边形等，最终输出新的图元信息到光栅化阶段。
在光栅化阶段，图元信息会被采样，通过不同的算法进行的采样可以得到不同像素值，最终生成不同的像素片段，这个片段可以供片段着色器使用，以此来进行着色操作。
在片段着色器中，通过光栅化得到的片段，在shader中进行像素计算，输出像素值进行着色，着色后的片段，需要经过最后一步，即测试（深度测试，模板测试等），再经过混合着色最终显示到屏幕上。
2.2 代码部分
首先，我们创建一个顶点数组：
float vertices[] =
{ -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 0.0f };顶点的值归一化到(-1.0f - 1.0f)方便绘制，然后，我们创建渲染所使用的顶点shader和片段shader。
const char *vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"}\0";
const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
"}\n\0";并且将两个shader通过动态编译的方式完成GPU部分的编译、链接，最终生成程序使用的Program。
glCompileShader(vShader); glCompileShader(fShader); glLinkProgram(shaderProgram);
然后，我们将要创建存储顶点信息的顶点属性buffer，
glGenVertexArrays(1, &VAO);
可以创建一个管理顶点信息顶点数组。
glGenBuffers(1, &VBO);
可以创建一个用于存储顶点数据的buffer。然后我们绑定buffer并上传数据：
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW)
使能顶点属性，并且指定数据起始位置：
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(0); glUseProgram(shaderProgram); glBindVertexArray(VAO); glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
然后在主循环中，调用创建好的shaderProgram和VAO，绑定到当前的渲染状态中，通过glDrawXXX来绘制图元，我们要绘制的是一个三角形，所以顶点是3个，索引是0。
我们在绘制之后就可以看到如下的结果了：
这样，一个简单的OpenGL的例子就完成了，是不是看起来一点都不复杂。当我们熟练了整个流程，我们就可以绘制更加复杂的模型，添加更加真实的效果，感兴趣的话那就赶紧动手试试吧！
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