【技术美术图形部分】1.4 PC和手机的主流图形API介绍

系统管理员 2023-09-27 08:09 39阅读 0赞

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[【技术美术百人计划】图形 1.4 PC手机图形API介绍][1.4 PC_API]

**目录**

1 主流3个API

1.1 PC和手机都对应支持哪些API？

1.2 Khronos都有哪些开放标准？

2 OpenGL ES各种版本一览

3 OpenGL ES 2.0和3.0对比

3.1 管线一览

3.2 相同点

3.3 不同点

3.3.1 兼容性

3.3.2 加入新的功能（第5节详细讲述）

3.3.3 渲染管线区别

3.4 着色器脚本编写发生变化

3.4.1 版本声明

3.4.2 输入输出

3.4.3 变量赋值

4 OpenGL ES 3.0的新功能

4.1 纹理

1 sRGB纹理和帧缓冲区

2 2D纹理数组

3 3D纹理

4 深度纹理和阴影比较

5 无缝立方图

6 浮点纹理

7 ETC2/EAC纹理压缩

4.2 着色器

4.3 几何形状

4.4 缓冲区对象

4.5 帧缓冲区

5 骁龙Adreno

不同版本Adreno支持的OpenGL ES版本

6 Vulkan

Vulkan的几项优势

7 课程布置的拓展任务

7.1 说出支持OpenGL ES 3.2的骁龙GPU型号有哪些？

7.2 你们怎么看待Valken的？

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## 1 主流3个API ##

三个分别是：DirectX, OpenGL, OpenGL ES

科纳斯Khronos Group定义了**OpenGL**

微软自己定义了**DirectX**

**OpenGL ES** 又OpenGL发展而来。

### 1.1 PC和手机都对应支持哪些API？ ###

手机——无论是Android还是IOS都支持OpenGL ES

电脑——Windows系统支持DirectX和OpenGL，Linux/Mac(Unix)系统支持OpenGL

### 1.2 Khronos都有哪些开放标准？ ###

开放标准以下顺序逐渐发展：

**OpenGL --> OpenGL ES --> OpenGL SC --> OpenCL --> SPIR --> Vulkan**

## 2 OpenGL ES各种版本一览 ##

[OpenGL ES Overview - The Khronos Group Inc][]

直接放上了Khronos官网页面介绍OpenGL ES不同版本预览的截图，能看到很清楚的描述了从1.X到3.2每一个版本专注于什么。

OpenGL ES 2.0——引入可编程着色器，弃用了1.x中需对固定功能

OpenGL ES 3.x——在功能强大的2.0基础上增加了更多东西，例如多个渲染目标 multiple render targets、标准化纹理压缩 texturing capabilities、新的着色语言等等。

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## 3 OpenGL ES 2.0和3.0对比 ##

### 3.1 管线一览 ###

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### 3.2 相同点 ###

相同点显而易见，与1.x相比，OpenGL ES 2.0和OpenGL ES 3.0都是**可编程的图形管线**，开发者可以自己编写管线中的顶点着色器和片元着色器，算是抛弃了**固定函数着色器**这个只能完成一些简单效果的古老着色器。

### 3.3 不同点 ###

以下讨论不同点会主要从OpenGL ES 3.0所具备的特点入手。

#### 3.3.1 兼容性 ####

OpenGL ES 3.0是向下兼容的，2.0编写的应用程序可以在3.0中继续使用，高版本兼容低版本。

#### 3.3.2 加入新的功能（第5节详细讲述） ####

OpenGL ES 3.0引入了新的功能

*  阴影贴图
 *  体渲染（volume rendering）：[【技术美术百人计划】图形 5.3 体渲染基础 (bilibili.com)][5.3 _ _bilibili.com]
 *  基于GPU的粒子动画
 *  几何形状实体化
 *  纹理压缩：[【技术美术百人计划】图形 3.6 纹理压缩——包体瘦身术 (bilibili.com)][5.3 _ _bilibili.com]
 *  伽马矫正

#### 3.3.3 渲染管线区别 ####

与1.x和2.0版本相比，3.0移除了**Alpha测试（Alpha Test）**和**逻辑操作（LogicOp）**两个部分，因为片元着色器可以抛弃片元，因此透明度测试可以在片元着色器中进行，移除逻辑操作是因为他很少被使用。

### 3.4 着色器脚本编写发生变化 ###

这部分讨论也从3.0入手。

#### 3.4.1 版本声明 ####

3.0必须在脚本中生命为指定使用OpenGL ES 3.0版本

> \#version 300 es
> 
> layout(location = 0) in vec4 vPosition;
> 
> void main()\{
> 
> gl\_Position = vPosition;
> 
> \}

如果不添加\#version 300 es则默认使用2.0版本。

#### 3.4.2 输入输出 ####

3.0新增了in，out，inout关键字，用来取代attribute和varying关键字，同时删除了gl\_FragColor和gl\_FragData，字段输出可以用out声明。

#### 3.4.3 变量赋值 ####

3.0中可以直接使用layout对指定位置的变量赋值。

> layout(location = 1) uniform float a;

3.0可以直接赋值

> GLES30.glUniform1f(1, 1f);

2.0还需要用更复杂的形式

> GLES20.glUniform1f(GLES20.glGetAttribLocation(program, "a"), 1f);

## 4 OpenGL ES 3.0的新功能 ##

加入了一些新的功能和特性，主要围绕纹理、着色器、几何形状、缓冲区对象、帧缓冲区等。

### 4.1 纹理 ###

有14个变化：

#### 1 sRGB纹理和帧缓冲区 ####

3.0允许应用程序执行**伽马矫正**渲染。纹理可以保存经过伽马矫正后的**sRGB空间**，在着色器读取时反矫正到线性空间，然后在输出到帧缓冲区时转换回sRGB伽马矫正空间，通过在线性空间中正确地进行照明和其他计算，可能得到更高的视觉保真度。

伽马矫正将在后续重点讲到：[【技术美术百人计划】图形 2.6 伽马校正\_哔哩哔哩\_bilibili][2.6 _bilibili]

sRGB我认为会在色彩空间讲到：[【技术美术百人计划】图形 2.1 色彩空间介绍 (bilibili.com)][5.3 _ _bilibili.com]

#### 2 2D纹理数组 ####

能保存一组2D纹理的纹理目标，可以用于执行纹理动画。在2D纹理数组出现时，纹理动画一般通过在单个2D纹理平铺动画帧并修改纹理坐标、改变动画帧实现的，有了2D纹理数组，可以很方便地指定。

#### 3 3D纹理 ####

2.0中通过拓展支持3D纹理，而3.0将3D纹理作为了强制功能。

#### 4 深度纹理和阴影比较 ####

启用储存在纹理中的深度缓存区。深度纹理最常见地用途是渲染阴影，这时深度缓存区从光源的角度渲染，用于在渲染场景时进行比较，判定片段是否在阴影中。

#### 5 无缝立方图 ####

3.0之前的立方图渲染可能在立方图各面之间的边界产生伪像，3.0中立方图可以使用相邻面数据并删除接缝处的伪像。

#### 6 浮点纹理 ####

3.0拓展了支持的纹理格式，支持并可以过滤16位的半浮点纹理，可以支持但无法过滤32位的全浮点纹理。

#### 7 ETC2/EAC纹理压缩 ####

3.0强制支持ETC2/EAC纹理压缩，带来更好的性能并减少GPU内存占用。

除此之外，还有整数纹理、其他纹理格式、非2幂次纹理、纹理细节级别（LOD）——可以强制基本和最大Mipmap级别、纹理调配、不可变纹理、纹理资源最小尺寸。

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这之后的几个点都是简单的罗列新功能，水平有限也没办法每个名词都解释到位~

### 4.2 着色器 ###

12个变化，分别是：二进制程序文件、强制的在线编译器、非方矩阵、全整数支持、质心采样、统一变量块、布局限定符、片段深度、新的内建函数、放宽了着色器限制。

### 4.3 几何形状 ###

变换反馈、布尔遮挡查询、实例渲染、图元重启、新顶点格式。

### 4.4 缓冲区对象 ###

引入了许多新的缓冲区对象——统一变量缓冲区对象、顶点数组对象、采样器对象、同步对象、像素缓冲对象、缓冲区子界映射、缓冲区对象拷贝。

### 4.5 帧缓冲区 ###

增添了MRT技术——多重渲染目标、多重采样渲染缓冲区、帧缓冲区失效提示等。

## 5 骁龙Adreno ##

目前的手机芯片厂商有高通、海思麒麟、联发科、三星还有苹果。移动端GPU主要有Adreno, Mali, powerVR, 以及苹果自研GPU核心。

骁龙Adreno是由高通开发的SIP核GPU并用于其自家的SoC，该核心从事GPU开发工作。

SoC是什么？早期的移动设备CPU和GPU是分开的，后来随着技术的进步，手机的GPU和其他运算单元集成在一起，统称为SoC。

### 不同版本Adreno支持的OpenGL ES版本 ###

从Adreno200开始，支持OpenGL ES 2.0

从Adreno302开始，支持OpenGL ES 3.0

从Adreno405开始，支持OpenGL ES 3.1

从Adreno420开始，支持OpenGL ES 3.2

## 6 Vulkan ##

这部分参考了

[Vulkan 简介 - 知乎 (zhihu.com)][Vulkan _ - _ _zhihu.com]

[Vulkan相比于OpenGL、DX12、Metal和Mantle有什么优势、劣势？ - 知乎 (zhihu.com)][Vulkan_OpenGL_DX12_Metal_Mantle_ - _ _zhihu.com]

大概搜索了一下Vulkan的历史：

2013年AMD主导开发了Mantle图形API——新一代的面向3D游戏API，它特点在于开发人员可以直接操作GPU底层，提高硬件利用率和游戏性能，影响效果显著，微软也顺着Mantle的开发思路开发了DX 12。

但由于AMD影响力不足，Mantle就没能像Khronos的OpenGL和微软的DX一样称为行业的标准，2015年AMD宣布不再维护Mantle，领域又需要新一代的跨平台GPU API，且对新一代API有更高的诉求。于是Khronos在Mantle的基础上推出了Vulkan，Vulkan应运而生。

### Vulkan的几项优势 ###

*  GPU做更少的事情，把内存管理、多线程管理等控制权交给了开发，虽然增加了API的使用难度，但提升了性能！
 *  Vulkan引入了 command buffer 概念，每个线程都可以往 command buffer提交渲染命令，CPU的多核多线程优势得以充分发挥！
 *  可移植性——可以实现跨平台移植！

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## 7 课程布置的拓展任务 ##

### 7.1 说出支持OpenGL ES 3.2的骁龙GPU型号有哪些？ ###

420及429之后的430、505、506、508、509等等往后的版本

### 7.2 你们怎么看待Valken的？ ###

系统兼容性是毋庸置疑的。很多公司都在大力支持，这一点对于发展来说太重要了。

但由于Vulkan更底层，开发难度肯定会更大（易用性低），但对于硬件的优化也会更加好做。

相比于OpenGL单线程渲染，Vulkan支持多线程啊！这就意味着又多了一个可以优化的角度！

一番对比的话，简要总结优劣势：

优——跨平台、性能、效率提升，可控度更高

劣——没做到全平台第一支持？比如目前我玩的游戏只有大表哥2有Vulkan的选项。

[1.4 PC_API]: https://www.bilibili.com/video/BV1q5411w7E8?p=2&vd_source=df915e2f42f68699ce7f9d08e53731c5
[OpenGL ES Overview - The Khronos Group Inc]: https://www.khronos.org/opengles/
[0479771336c7495aadd4276b6b217507.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0479771336c7495aadd4276b6b217507.png
[b4ad204da7f04fd78fc0667efa1cf67e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/b4ad204da7f04fd78fc0667efa1cf67e.png
[47ed2e2fe4104aa59ee88f8d8b4d43ac.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/47ed2e2fe4104aa59ee88f8d8b4d43ac.png
[5.3 _ _bilibili.com]: https://www.bilibili.com/medialist/play/7398208?from=space&business=space_series&business_id=1067039&desc=1
[2.6 _bilibili]: https://www.bilibili.com/video/BV1cU4y1b7UF?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=df915e2f42f68699ce7f9d08e53731c5
[Vulkan _ - _ _zhihu.com]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/165141740
[Vulkan_OpenGL_DX12_Metal_Mantle_ - _ _zhihu.com]: https://www.zhihu.com/question/46536915