[计算机图形学06]OpenGL和DirectX

什么是OpenGL/DirectX

只要接触过图像编程就一定听说过OpenGL和DirectX，也知道这两者之间存在着竞争关系。这两者实际上就是图像应用编程接口，这些接口用于渲染二维或三维图形。可以说，这些接口充当了上层应用程序和底层GPU的沟通桥梁。一个应用向这些接口发送渲染命令，而这些接口会依次向显卡驱动发送渲染命令，这些显卡驱动是真正知道如何与GPU通信的，正是它们把OpenGL/DirectX的函数调用翻译成了GPU能够识别的指令。另外，一块显卡除了有图像处理单元GPU之外，还拥有自己的内存，这个内存通常被称为显存。GPU可以在显存中存储任何数据，但是对于渲染而言有一些数据类型是必须的，所以一般显存中都包含图像缓存，深度缓存，纹理缓存，顶点缓存。
因为显卡驱动的存在，几乎所有的GPU都可以和OpenGL/DirectX一起合作。从显卡的角度出发，实际上，它只需要和显卡驱动打交道就可以了。而显卡驱动就好像一个中介，负责和两方沟通。因此，一个显卡制造商为了让他们的显卡可以同时和OpenGL和DirectX合作，就必须提供支持这两个接口的显卡驱动。

什么是HLSL，GLSL，CG

在可编程渲染管线出现之前，为了编写着色器代码，开发者们需要学习汇编语言。为了给开发者们方便，就出现了更高级的着色器语言(Shading Language)，常见的着色器语言有DiretX的HLSL(High Level Shading Language)，OpenGL的GLSL(OpenGL Shading Language)以及NVIDIA的CG(C for Graphic)。HLSL，GLSL，CG都是“高级”语言，但是这个高级实际上是相对汇编语言来说的。这些语言会被编译成为与机器无关的汇编语言，也被成为中间语言(Intermediate Language)。然后这些中间语言才会被显卡驱动来翻译成为真正的机器语言，即GPU可以理解的语言。

什么是 Draw Call

Draw Call本身的含义很简单，就是调用图像编程接口，如OpenGL中glDrawElements命令或者DirectX中的DrawIndexedPrimitive命令，来命令GPU进行渲染的操作。一个很常见的误区是，Draw Call中造成性能问题的元凶是GPU，认为GPU上的状态切换是耗时的，其实不是的，真正“拖后腿”其实是CPU。

CPU和GPU是怎样实现并行工作的？

如果没有流水线化，那么CPU需要等到GPU完成上一个渲染任务才能再次发送渲染指令，这种方法显然会造成效率地下。解决的办法也很简单，就是使用一个命令缓冲区(Command Buffer)。命令缓冲区包含了一个队列，由CPU添加命令，而由GPU从中读取命令，值得注意的是，添加和读取的过程是相互独立的。命令缓冲区的存在是的CPU和GPU可以相互独立。当CPU需要渲染一些对象时，它可以向缓冲区中添加命令，而当GPU完成了上一次渲染任务后，它从命令队列中再取出一个命令并且执行它。
命令缓冲区中的命令有很多种类，而Draw Call只是其中一种，其它命令还有改变渲染状态等等。

为什么Draw Call多了会影响帧率？

我们先来做一个实验：请创建10000个小文件，每个文件的大小为1KB，然后把它们从一个文件夹复制到另一个文件夹中。你会发现，尽管这些文件的空间总和不超过10MB，但还是要花费很长的时间。然后你再创建一个10MB的文件，把这个文件从一个文件夹复制到另一个文件夹中，这次复制操作所消耗的时间却少很多！会发生这样的现象的原因在于，每一个复制动作需要有很多额外的操作，比如分配内存，创建各种各样的元数据，这些操作将造成很多额外的性能开销。
渲染的过程虽然和复制一大堆文件不一样，但是从感性的认知来说这两点是有相同点的。在每一次调用Draw Call前，CPU要向GPU发送很多内容，包括数据，状态和命令等。GPU的渲染能力是很强的，渲染200个还是2000个三角形网络通常没有什么区别，因此渲染速度往往会快于CPU提交命令的速度。如果Draw Call的数量太多，CPU就会把时间大量浪费在提交Draw Call上，造成CPU的过载。

如何减少Draw Call？

一个显然的优化想法就是把很多小的Draw Call合并成为一个大的Draw Call这就是批处理的思想。值得注意的是，由于我们需要在CPU的内存中合并网格，而合并的过程是需要消耗时间的。因此，批处理技术更加适合那些处于静态的物体，例如不会移动的大地，石头等。

Shader究竟是什么？

GPU流水线上一些可高度编程的阶段，而由着色器编译出来的最终代码是会在GPU上运行的。
有一些特定类型的着色器，如顶点着色器，片元着色器等。
依靠着色器我们可以控制流水线中的渲染细节，例如顶点着色器来进行顶点变换以及传递数据，用片元着色器来进行逐像素的渲染。