学习现代 OpenGL
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现代OpenGL及其价值的简要指南。
引言
好的……所以您想学习现代OpenGL。太棒了！但它到底意味着什么，有哪些选项？您是否必须购买有关这项技术的昂贵书籍，或者一些基本的在线教程就足够了？
在本文中，我将尝试回答上述一些问题，并为您提供一个精彩的OpenGL图形编程世界的指南。
让我们开始吧！
计划
为什么是现代？
我想回答的第一个问题是为什么有“现代OpenGL”这个说法。是否存在“旧OpenGL”？
基本上，现代意味着“使用可编程图形管线”，旧则意味着“固定管线”。
有什么区别？这是一个相当广泛的话题，但现在我认为了解固定管线就像一个黑匣子就足够了。您将顶点数据输入到前端（输入端），最后从帧缓冲器（屏幕）中获得绘制的三角形。当然，您可以根据需要调整这个盒子，但在某些时候，这还不够。
可编程管线更像是一个白色、透明的盒子，您不仅可以将输入数据放入其中并等待结果，还可以插入/更改内部机制。虽然有一个通用的管线形式，但很大一部分是由您完全控制的——这要归功于着色器。
着色器是一个小型程序，可以计算各种事物并在GPU上运行。它可以转换顶点、计算片段的颜色、删除或添加更多三角形，甚至更多。
为了说明这个想法，我准备了两张图
尽管上图非常非常简化，但它们表明可编程管线更加灵活，并且程序员拥有更多的控制权。得益于着色器，人们可以创造出许多使用固定管线无法实现的图形效果。
目前，随着图形API（如OpenGL或DirectX）的新版本发布，我们对GPU的控制越来越强。如果我们看看现代游戏引擎，我们会发现它们的大部分内容完全在GPU上运行。因此，学习现代方法非常重要。
OpenGL主要版本
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版本
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重要变更
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1.1 - 1997年3月
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固定管线！请注意，1.0版本于1992年发布。 最新的1.x版本是2003年7月的1.5（例如，包括VBO和遮挡查询）。 |
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2.0 - 2004年9月
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OpenGL着色语言正式纳入标准。像素缓冲对象，sRGB。 2.1版本（2006年7月）与DirectX 9.0c相当。 OpenGL 2.0/2.1 是支持广泛旧设备的可靠选择（并且仍然可以使用着色器） |
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3.0 - 2008年8月
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弃用功能列表，帧缓冲对象，浮点纹理，变换反馈，核心配置文件，几何着色器，同步对象。 OpenGL 3.3（2010年3月）可与DX 10相比 |
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4.0 - 2010年3月
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细分着色器，间接绘制，ES2兼容性，程序二进制文件，独立着色器对象，计算着色器。 OpenGL 4.5（2014年8月）可与DX 11.1相比，甚至超越它。 |
您应该学习什么？
我建议初学者学习以下主题
- 计算机图形学基础知识
- 平台差异（PC vs 移动 vs Web vs 游戏机）
- 图形管线——步骤
- 3D数学——矩阵、向量、投影
- 相机模型
- 着色器（顶点和片段）
- 纹理投影
- 缓冲器基础
- 基础光照模型
那么
- 着色器（几何、细分、计算）
- 高级缓冲器内存管理
- 阴影
- 全局光照
- 与驱动程序协作：锁定、最小化内存传输、批处理……
- GPU通用计算（OpenCL、CUDA、计算着色器）
- ...
第二个列表我故意留下了未完成。到您掌握了这些内容时，您将对您想要实现的目标以及如何实现目标有更清晰的认识。
从哪里开始？
当我们理解了自己的动机后，就可以开始学习了。有时这确实是一项艰巨的任务！可用的资源很多，一个人可能会迷失方向并失去最初的热情。
OpenGL Superbible已成为学习OpenGL的标准书籍，实际上我无法推荐其他书。回想我的经历，这是我第一本关于图形编程的书。那时，我拥有第一版！现在我们有了第七版（于2015年8月发布）。
结构
- 基础：第一个三角形、图形管线、数学、缓冲区、着色器。这是一次精彩的管线之旅，让您对它的工作原理有一个概述。
- 细节：顶点、图元和片段处理，帧缓冲区，计算着色器
- 技术：光照、阴影、卡通着色、SSAO、分形
- 高级技术：计算着色器、管线监控、数据加载和访问仲裁、艺术和非照片写实效果。AZDO技术以及如何调试OpenGL应用程序。甚至还有一个章节讨论了非核心但非常重要的扩展，如稀疏纹理和无绑定图形。
- 最新版本的书籍侧重于OpenGL 4.5。这很重要，因为在OpenGL 4.5中，我们应该使用直接状态访问函数，而不是绑定和更新。
- 旧版本的书籍包含关于平台特性的章节。
这本书提供了开始学习甚至精通OpenGL所需的所有信息。这本书既适合初学者，也适合对图形API非常熟悉的人。正如您所见，有基础章节，也有非常高级的主题。写作风格很棒，没有人应该会遇到理解困难。这本书大约有1000页。我保证您会经常回顾这本精彩书籍的内容。
值得一提的是，还有大量的在线内容可以帮助您。Jason L. McKesson在他的arcsynthesis教程中提供了关于现代OpenGL（3.3+）的一些最好的教程。另一个好网站是open.gl和lighthouse3d core，还有learnopengl.com。
此外，如果您想获得更多图形学理论知识，可以参考这两本“核心”书籍
在哪里继续？
当您有了基础并知道如何使用OpenGL后，就可以选择您想发展的领域了。
以前，人们通常会进入渲染引擎开发——这意味着更多的图形效果。但如今，我们也有了Web和移动应用，所以您的重点可能会有所不同。
对于“常规”图形开发，我建议投资一些钱购买两本最近出版的书——实际上是两本食谱书！
其中一本是《OpenGL 4 Shading Language Cookbook》，另一本是《OpenGL Development Cookbook》。
食谱
编程食谱的想法对我来说很新颖，但我从一开始就喜欢它。在这两本书中，都有许多不同的子章节，几乎可以按任何顺序阅读。我们通常从一些简单的例子开始，然后转向更高级的例子，但结构比“普通”编程书籍更宽松。
OpenGL 4 Shading Language是学习最新版本OpenGL——4.3的绝佳资源。它最近得到了更新，内容变得更好。我们涵盖了以下主题
- 前两章介绍GLSL和现代OpenGL
- 另外两章关于光照和纹理使用（例如，不可变纹理！）
- 第5章关于图像处理和屏幕空间效果（如模糊和HDR）
- 然后有一章关于细分和几何着色器
- 第7章涵盖阴影技术
- 另外两章描述了噪点和粒子动画
- 最后，最后一章涉及计算着色器
这些主题为任何图形程序员打下了坚实的基础。
第二本书——OpenGL Development Cookbook——风格与第一本书相似。它使用OpenGL 3.3——稍旧，但仍然有效。这本书描述了相似的领域：OpenGL、GLSL、光照、阴影的介绍……但例子与第一本书不同。您可以比较例子，获得新的视角和编码技术。
重要的是，《OpenGL Development Cookbook》为我们的图形知识库增加了一些其他有价值的章节
- 体积渲染
- 全局光照
- 3D网格文件格式
- 动画系统和物理
总而言之，您可以将这两本书视为一套。顺便说一句：您可以在我的单独的codeproject文章中阅读我关于《OpenGL Development Cookbook》的完整评论。
这两本食谱书对我来说非常有价值，因为它们填补了图形编程书籍中的一个空白。一方面，我们有《SuperBible》这样的入门级书籍，另一方面，有像GPU Pro或ShaderX（以及最近的OpenGL Insights）这样更“硬核”的书籍。食谱书处于中间位置，对于任何具有良好OpenGL知识并想更进一步的人来说，都是很好的资源。
C++总是必需的吗？
正如您可能已经注意到的，所有提到的书籍和网站都使用C++作为代码示例的语言。C++似乎是这个领域中最受欢迎的选择。但如果您懂其他语言，您就不会绝望！
OpenGL只是一个API，并且有许多不同的语言绑定。
所以：
- 对于Java，请查看：Java™ Binding for the OpenGL® API或LWJGL
- 顺便说一句：LWJGL曾被Minecraft使用
- 此外，大多数Android应用程序使用其基于Java的SDK来渲染使用OpenGL ES的图形。
- 对于移动开发（以及HTML5），请查看libgdx——这是一个跨平台游戏和可视化开发框架，基于OpenGL ES 2.0和3.0。语言：Java
- 对于C#（或Visual Basic）——.NET平台——请查看openTK
- 对于JavaScript，只需使用WebGL
- 此外，对于其他语言，请访问此处的OpenGL Wiki页面
值得注意的是，无论您选择哪种编程语言，图形学理论都是相同的。所以，如果您知道如何在一种语言中实现图形效果，那么用另一种不同的语言实现类似效果应该相对容易。
硬件
目前（2014年12月，最新驱动程序），大多数最新的桌面GPU都支持OpenGL 4.*或至少3.*。
下面是一个快速总结
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GPU
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支持的OpenGL版本
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Nvidia GeForce 6 和 7 系列
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OpenGL 2.1
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Tesla: NVidia GeForce 8, 9 100, 200, 300 系列
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OpenGL 3.3
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Fermi: NVidia GeForce 400, 500 系列
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OpenGL 4.5
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Kepler and Maxwell: NVidia GeForce 600, 700 800M, 900 系列
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OpenGL 4.5
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AMD Radeon R300, R400, R500,
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OpenGL 2.0
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AMD Radeon R600 (HD2000, HD3000), R700 (HD4000)
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OpenGL 3.3
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AMD Evergreen (HD5000)
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OpenGL 4.5
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AMD * Islands (HD6000, HD7000 and HD8000)
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OpenGL 4.5
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AMD Volcanic Islands (R7 and R9) and newer
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OpenGL 4.5
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Intel(R) HD Graphics 2000/3000 (Sandy Bridge)
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OpenGL 3.1
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Intel(R) HD Graphics 2500/4000 (Ivy Bridge)
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OpenGL 4.0
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Intel(R) HD Graphics 4400/4600/5000 (Haswell)
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OpenGL 4.3
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如果您想了解更多细节，可以查看这个很棒的OpenGL硬件数据库
AZDO
不久前（在GDC 2014上），有一个关于通过OpenGL获得更高性能的精彩演示。这一系列想法被称为AZDO——“Approaching Zero Driver Overhead”（趋近于零驱动程序开销）。顾名思义，这种方法侧重于最小化驱动程序的工作。通常，GPU有很大的可用功率，但它必须等待驱动程序完成某些工作。
技术简要总结
- 如何更新缓冲区以避免在管线中产生停顿（例如，持久映射缓冲区、孤立、多缓冲区）
- 显式同步（栅栏、锁定）
- 最小化绘制调用次数（例如，间接绘制、批处理）
- 将纹理打包到数组中以加快访问速度，使用无绑定纹理，稀疏纹理
AZDO复杂但强大。它可以释放您引擎的许多潜力。这也是新图形API（如DirectX 12或Vulkan）的一个很好的起点——在这些API中，驱动程序将极简，所有工作都将取决于客户端（程序员）。
OpenGL Next 和 Vulkan？
Vulkan API于2015年GDC（旧金山）宣布，并于2016年2月16日正式发布（Khronos），它是一个新的API，应该能从硬件中释放更多性能。
来自Khronos官方演示
正如您所见，有了Vulkan，我们将获得对GPU/CPU的更多直接控制。驱动程序的工作量最小化。当然，Vulkan是跨平台的：从高端PC到低端移动设备（Mac OS除外）。理论上，我们应该看到更高的帧速率，屏幕上更多的对象，以及更好的硬件利用率。
灵活性和性能是有代价的。您获得了控制权，但驱动程序执行的大部分工作（同步、缓冲区管理、着色器管理、多线程、命令缓冲区）都需要由您的引擎处理。大型引擎无论如何都会进行此类管理，因此它们应该受益最大。但如果您正在进行简单的模拟，并且渲染基本，这可能会造成损失。即使是简单的Vulkan演示，也包含数百行代码仅仅是为了完成一些基本操作。
虽然不适合所有人，但Vulkan带来了许多希望。它完全是新的，因此没有遗留功能的开销。如果您认真对待图形编程，请务必查看代码示例和Vulkan示例。
资源和链接
- GLSL核心教程 » Lighthouse3d.com - 核心版本GLSL教程
- OpenGL - 入门 - 一个广泛且对初学者友好的指南，用于在所有主要平台上使用现代OpenGL进行游戏开发
- 学习现代3D图形编程 - Jason L. McKesson的精彩教程
- reddit/r/opengl - 新闻、问题和教程的中心枢纽之一
- learnopengl.com - 学习OpenGL的另一个绝佳来源（也可作为免费PDF提供）
- Nvidia 最新OpenGL驱动程序
- 2014 GDC的原始AZDO演示
- 我对OpenGL Superbible 7th的完整评论
结论
在本文中，我试图为您提供足够的资源来开始并取得良好的图形编程进展。OpenGL目前是一项非常流行的技术。对于任何具有良好图形API经验的人来说，都将有许多新的可能性。您不仅可以创建AAA级游戏引擎，还可以进军Web或移动开发。而Vulkan则带来了更多（底层）乐趣！
祝您在现代OpenGL的学习旅程愉快！
您也可以在Bartek的博客上找到更多关于OpenGL的信息：http://www.bfilipek.com/。
历史
- 2016年5月23日 - 添加了关于Vulkan的部分，以及其他一些小改进。
- 2015年5月15日 - 改进了OpenGL Superbible的描述，并添加了关于即将推出的第7版的信息。
- 2015年4月23日 - 添加了描述AZDO的部分——一组新的技术，为OpenGL应用程序提供了更高的性能。
- 2015年2月25日 - 添加了目录并更新了硬件表：Intel现在支持GL 4.3（Haswell）+ NVidia支持4.5
- 2014年6月18日 - 更新了硬件表，Radeons HD 5000+支持GL 4.4
- 2014年5月30日 - 添加了硬件部分
- 2014年5月28日 - 扩展了OpenGL版本表，添加了一些额外的链接
- 2014年5月14日 - 初始版本