计算机图形学

第二章(1) 图形学编程概述

三十年视觉的革命

1996年: 《雷神之锤》

[雷神之锤的图片]

2023年: 《赛博朋克2077》

[赛博朋克2077的图片]

驱动这场革命的，不仅是硬件的进步，更是我们与GPU“对话”的编程思想的根本变革。

课程目标

  • 回顾历史: 从固定管线到可编程管线的编程思想革命

如何设计一个“绘图API”？

方案A: “保姆式”API


// 简单易用，一步到位
drawSphere({
  position: [0,0,0],
  radius: 1.0,
  color: [1,0,0],
  lighting: true
});

优点: 简单
缺点: 功能固化, 不灵活

方案B: “DIY式”API


// 复杂但灵活
let buffer = createBuffer(sphere_data);
let shader = createShader(shading_code);
setShader(shader);
setBuffer(buffer);
draw();

优点: 灵活, 高性能
缺点: 复杂, 学习曲线陡

这两种方案的取舍，完美复现了OpenGL自身的发展史。

第一部分: 图形API的演进

传统OpenGL: “固定功能管线”时代

核心思想: 你告诉GPU要画什么，GPU知道该怎么画。

类比: 功能强大的“微波炉”，你只需按“爆米花”键，无法控制加热细节。

[传统OpenGL管线示意图]
传统OpenGL“固定功能管线”示意图
图形硬件发展时间线
年代 事件和节点
1960-1970年代 计算机图形学诞生，CPU负责所有图形渲染任务。
1980年代 专用图形硬件出现（如Amiga图形芯片），加速部分图形任务。
1995年 3dfx Voodoo Graphics发布，GPU开始分担三维图形渲染任务。
1999年 NVIDIA GeForce 256发布，GPU接管几何计算任务，正式定义GPU。
2001年 可编程着色器出现，GPU从固定功能设备转变为可编程硬件。
2006年 CUDA发布，GPU开始用于通用计算任务。
2018年 NVIDIA RTX系列发布，GPU支持实时光线追踪。

传统OpenGL: “固定功能管线”时代

  • OpenGL最初由建筑评审委员会(Architectural Review Board, ARB)所控制，其成员包括了SGI, Microsoft, NVidia, HP, 3DLabs, IBM等，目前OpenGL由Khronos Group所负责
  • OpenGL的版本在2.5以前发展基本稳定，具有良好的版本向下兼容性
  • 版本的发展主要为体现新的硬件技术进步，如支持三维纹理映射、纹理对象、顶点和面片程序等，并能通过扩展提供为特定硬件平台的支持
  • OpenGL 2.0版本引入了可编程着色器的概念，允许用户编写自己的顶点和片元着色器程序

传统OpenGL: “固定功能管线”时代

现代OpenGL: “着色器核心”时代

GPU越来越强大，开发者希望能获得更多对底层的控制权，实现更多更具创造力的视觉效果

卡通渲染

[卡通渲染效果图]

体积光渲染

[体积光渲染效果图]

非真实感渲染

[非真实感渲染效果图]

思想转变: 从“配置机器”到“为机器编程”

现代OpenGL: “着色器核心”时代

核心思想: 你给GPU提供数据(缓冲)和程序(着色器)，让它自己计算结果。

类比: 你得到了微波炉的核心零件(计算单元)和一本编程手册(GLSL)，可以实现任何烹饪方式。

现代OpenGL: “着色器核心”时代

  • 当代OpenGL的性能主要是通过GPU实现，通过对着色器编程实现对GPU的控制
  • 应用程序的任务是往GPU传递数据，GPU会负责所有的渲染工作

现代OpenGL: “着色器核心”时代

图形渲染的两种模式

所有的模型均以顶点表示，顶点可构成基本图元，如线段、多边形、曲线、曲面等

即时模式
应用程序定义每个顶点都会立即送到GPU中渲染，这种实现会造成CPU和GPU之间数据传输的瓶颈，在OpenGL3.1及以后的版本和OpenGL ES 2.0中删去
保有模式
所有顶点及其属性均保存在数组中，将数组传送给GPU进行渲染，但若需要更新，则需更新所有数组中的内容并再次传递给GPU。对于重复渲染，传递数组并储存在GPU中的方式显然效率更高

现代OpenGL: “着色器核心”时代

OpenGL3.1

  • OpenGL3.1版本完全基于着色器，并未提供默认的着色器程序，每个应用程序均需提供点元着色器和面片着色器程序
  • 不再提供即时模式，并减少了状态变量的数目
  • 不再提供对于大部分2.5版本函数的支持，也不再需要向下兼容，但还是存在兼容性扩展

现代OpenGL: “着色器核心”时代

其它版本

  • OpenGL ES，面向移动设备和嵌入式设备的OpenGL版本
    • 2.0版本是OpenGL3.1的简化版，开始支持可编程着色器，目前最新版本为3.2
    • 3.1版本是一个里程碑，开始在移动设备上支持显卡普适计算
  • WebGL，将OpenGL ES的API移植到浏览器环境中运行，提供对JavaScript的支持，能够在浏览器中进行三维绘制。能够支持几乎所有的主流浏览器
    • WebGL 1.0对应于OpenGL ES 2.0版本
    • WebGL 2.0对应于OpenGL ES 3.0
  • OpenGL 4.x...... 不断引入新特征，以实现对新的图形计算硬件的支持，目前最新版本为4.6

API的未来

  • Vulkan, Metal, DirectX 12等
  • 更底层，更接近硬件,将更多的控制权（如内存管理、多线程）交给开发者，以追求极致的性能
  • 但其核心编程思想一脉相承：数据 + 程序(着色器)
[Vulkan Logo]

随堂测验 (1/4)

从传统OpenGL（“固定功能管线”）到现代OpenGL（“可编程管线”）最核心的思想转变是什么？

  • A. 渲染速度变得更快。
  • B. 将渲染控制权从固化的硬件功能，转移到由开发者编写的、运行在GPU上的程序（着色器）上。
  • C. 引入了更多的内置光照模型。
  • D. 开始支持三维纹理。
解析: 正确！核心变革是从“配置一台现有机器”转变为“为一台可编程的并行计算机编写程序”，将创作的自由度和控制权交还给了开发者。

随堂测验 (1/4)

关于WebGL，以下哪个描述是正确的？

  • A. 它是一个全新的、与OpenGL无关的图形API。
  • B. 它是一个可以直接在网页浏览器中运行的、基于OpenGL ES（嵌入式版本）的JavaScript API。
  • C. 它包含了传统OpenGL的所有固定功能，如glBegin/glEnd。
  • D. 它比原生的OpenGL或Vulkan性能更高。
解析: 正确！WebGL的本质就是将OpenGL ES的能力通过JavaScript接口暴露给Web开发者，从而实现了在浏览器中进行硬件加速的3D渲染，且无需任何插件。

随堂测验 (1/4)

相较于现代API，传统OpenGL“固定功能管线”的主要局限性是什么？

  • A. 学习曲线过于陡峭。
  • B. 跨平台兼容性差。
  • C. 灵活性和可扩展性差，难以实现非传统的、创造性的视觉效果。
  • D. 无法处理三维模型，只能绘制二维图形。
解析: 正确！由于核心算法（如光照和变换）被固化在硬件中，开发者无法实现如卡通渲染、自定义材质等超越其预设功能的效果，这是其被淘汰的根本原因。

随堂测验 (1/4)

从现代OpenGL到Vulkan、Metal等新一代图形API的发展趋势，进一步体现了什么样的设计哲学？

  • A. 进一步封装硬件细节，让API变得更简单易用。
  • B. 重新引入固定功能硬件来提升特定任务的性能。
  • C. 将更多的底层控制权（如内存管理、多线程提交）交给开发者，以压榨极致的硬件性能。
  • D. 专注于Web端，逐步取代WebGL。
解析: 正确！新一代API的设计哲学是“更少的抽象，更多的控制”，它们通过减少驱动程序的开销，让开发者能够更精细地控制GPU，以实现最大程度的性能优化。

课程总结

  • 理解了 现代图形API的设计思想。
  • 比较了 不同类型API的功能特点。