OpenGL教程一

2023-08-01 11:03:40

引自：https://blog.csdn.net/u013654125/article/details/73613644

GLEW, GLFW和GLM介绍

现在你有了工程，就让我们开始介绍下工程所用到的开源库和为啥需要这些。

The OpenGL Extension Wrangler (GLEW)是用来访问OpenGL 3.2 API函数的。不幸的是你不能简单的使用#include <GL/gl.h>来访问OpenGL接口，除非你想用旧版本的OpenGL。在现代OpenGL中，API函数是在运行时（run time）确定的，而非编译期（compile time）。GLEW可以在运行时加载OpenGL API。

GLFW允许我们跨平台创建窗口，接受鼠标键盘消息。OpenGL不处理这些窗口创建和输入，所以就需要我们自己动手。我选择GLFW是因为它很小，并且容易理解。

OpenGL Mathematics (GLM)是一个数学库，用来处理矢量和矩阵等几乎其它所有东西。旧版本OpenGL提供了类似glRotate, glTranslate和glScale等函数，在现代OpenGL中，这些函数已经不存在了，我们需要自己处理所有的数学运算。GLM能在后续教程里提供很多矢量和矩阵运算上帮助。

在这系列的所有教程中，我们还编写了一个小型库tdogl用来重用C++代码。这篇教程会包含tdogl::Shader和tdogl::Program用来加载，编译和链接shaders。

什么是Shaders？

Shaders在现代OpenGL中是个很重要的概念。应用程序离不开它，除非你理解了，否则这些代码也没有任何意义。

Shaders是一段GLSL小程序，运行在GPU上而非CPU。它们使用OpenGL Shading Language (GLSL)语言编写，看上去像C或C++，但却是另外一种不同的语言。使用shader就像你写个普通程序一样：写代码，编译，最后链接在一起才生成最终的程序。

Shaders并不是个很好的名字，因为它不仅仅只做着色。只要记得它们是个用不同的语言写的，运行在显卡上的小程序就行。

在旧版本的OpenGL中，shaders是可选的。在现代OpenGL中，为了能在屏幕上显示出物体，shaders是必须的。

为可能近距离了解shaders和图形渲染管线，我推荐Durian Software的相关文章The Graphics Pipeline chapter。

  主程序 Shader程序
语言 C++ GLSL
主函数 int main(int, char**); void main();
运行于 CPU GPU
需要编译？ 是 是
需要链接？ 是 是

那shaders实际上干了啥？这取决于是哪种shader。

Vertex Shaders

Vertex shader主要用来将点（x，y，z坐标）变换成不同的点。顶点只是几何形状中的一个点，一个点叫vectex，多个点叫vertices（发音为ver-tuh-seez）。在本教程中，我们的三角形需要三个顶点（vertices）组成。

Vertex Shader的GLSL代码如下：

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#version 150

in vec3 vert;

void main() {

    // does not alter the vertices at all

    gl_Position = vec4(vert, 1);

}

第一行#version 150告诉OpenGL这个shader使用GLSL版本1.50.

第二行in vec3 vert;告诉shader需要那一个顶点作为输入，放入变量vert。

第三行定义函数main，这是shader运行入口。这看上去像C，但GLSL中main不需要带任何参数，并且不用返回void。

第四行gl_Position = vec4(vert, 1);将输入的顶点直接输出，变量gl_Position是OpenGL定义的全局变量，用来存储vertex shader的输出。所有vertex shaders都需要对gl_Position进行赋值。

gl_Position是4D坐标（vec4），但vert是3D坐标（vec3），所以我们需要将vert转换为4D坐标vec4(vert, 1)。第二个的参数1是赋值给第四维坐标。我们会在后续教程中学到更多关于4D坐标的东西。但现在，我们只要知道第四维坐标是1即可，i可以忽略它就把它当做3D坐标来对待。

Vertex Shader在本文中没有做任何事，后续我们会修改它来处理动画，摄像机和其它东西。

Fragment Shaders

Fragment shader的主要功能是计算每个需要绘制的像素点的颜色。

一个”fragment”基本上就是一个像素，所以你可以认为片段着色器（fragment shader）就是像素着色器（pixel shader）。在本文中每个片段都是一像素，但这并不总是这样的。你可以更改某个OpenGL设置，以便得到比像素更小的片段，之后的文章我们会讲到这个。

本文所使用的fragment shader代码如下：

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#version 150

out vec4 finalColor;

void main() {

    //set every drawn pixel to white

    finalColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);

}

再次，第一行#version 150告诉OpenGL这个shader使用的是GLSL 1.50。

第二行finalColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);将输出变量设为白色。vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)是创建一个RGBA颜色，并且红绿蓝和alpha都设为最大值，即白色。

现在，就能用shader在OpenGL中绘制出了纯白色。在之后的文章中，我们还会加入不同颜色和贴图。贴图就是你3D模型上的图像。

编译和链接Shaders

在C++中，你需要对你的.cpp文件进行编译，然后链接到一起组成最终的程序。OpenGL的shaders也是这么回事。

在这篇文章中用到了两个可复用的类，是用来处理shaders的编译和链接：tdogl::Shader和tdogl::Program。这两个类代码不多，并且有详细的注释，我建议你阅读源码并且去链接OpenGL是如何工作的。

什么是VBO和VAO？

当shaders运行在GPU，其它代码运行在CPU时，你需要有种方式将数据从CPU传给GPU。在本文中，我们传送了一个三角的三个顶点数据，但在更大的工程中3D模型会有成千上万个顶点，颜色，贴图坐标和其它东西。

这就是我们为什么需要Vertex Buffer Objects (VBOs)和Vertex Array Objects (VAOs)。VBO和VAO用来将C++程序的数据传给shaders来渲染。

在旧版本的OpenGL中，是通过glVertex，glTexCoord和glNormal函数把每帧数据发送给GPU的。在现代OpenGL中，所有数据必须通过VBO在渲染之前发送给显卡。当你需要渲染某些数据时，通过设置VAO来描述该获取哪些VBO数据推送给shader变量。

Vertex Buffer Objects (VBOs)

第一步我们需要从内存里上传三角形的三个顶点到显存中。这就是VBO该干的事。VBO其实就是显存的“缓冲区（buffers）” - 一串包含各种二进制数据的字节区域。你能上传3D坐标，颜色，甚至是你喜欢的音乐和诗歌。VBO不关心这些数据是啥，因为它只是对内存进行复制。

Vertex Array Objects (VAOs)

第二步我们要用VBO的数据在shaders中渲染三角形。请记住VBO只是一块数据，它不清楚这些数据的类型。而告诉OpenGL这缓冲区里是啥类型数据，这事就归VAO管。

VAO对VBO和shader变量进行了连接。它描述了VBO所包含的数据类型，还有该传递数据给哪个shader变量。在OpenGL所有不准确的技术名词中，“Vertex Array Object”是最烂的一个，因为它根本没有解释VAO该干的事。

你回头看下本文的vertex shader（在文章的前面），你就能发现我们只有一个输入变量vert。在本文中，我们用VAO来说明“hi，OpenGL，这里的VBO有3D顶点，我想要你在vertex shader时，发三个顶点数据给vert变量。”

在后续的文章中，我们会用VAO来说“hi，OpenGL，这里的VBO有3D顶点，颜色，贴图坐标，我想要你在shader时，发顶点数据给vert变量，发颜色数据给vertColor变量，发贴图坐标给vertTexCoord变量。”

代码解释

打开main.cpp，我们从main()函数开始。

首先，我们初始化GLFW：

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glfwSetErrorCallback(OnError);

if(!glfwInit())

    throw std::runtime_error("glfwInit failed");

glfwSetErrorCallback(OnError)这一行告诉GLFW当错误发生时调用OnError函数。OnError函数会抛一个包含错误信息的异常，我们能从中发现哪里出错了。

然后我们用GLFW创建一个窗口。

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glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);

glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);

glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 2);

glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GL_FALSE);

gWindow = glfwCreateWindow((int)SCREEN_SIZE.x, (int)SCREEN_SIZE.y, "OpenGL Tutorial", NULL, NULL);

if(!gWindow)

    throw std::runtime_error("glfwCreateWindow failed. Can your hardware handle OpenGL 3.2?");

该窗口包含一个向前兼容的OpenGL 3.2内核上下文。假如glfwCreateWindow失败了，你应该降低OpenGL版本。

创建窗口最后一步，我们应该设置一个“当前”OpenGL上下文给刚创建的窗口：

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glfwMakeContextCurrent(gWindow);

无论我们调用哪个OpenGL函数，都会影响到“当前上下文”。我们只会用到一个上下文，所以设置完后，就别管它了。理论上来说，我们可以有多个窗口，且每个窗口都可以有自己的上下文。

现在我们窗口有了OpenGL上下文变量，我们需要初始化GLEW以便访问OpenGL接口。

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glewExperimental = GL_TRUE; //stops glew crashing on OSX :-/

if(glewInit() != GLEW_OK)

    throw std::runtime_error("glewInit failed");

这里的GLEW与OpenGL内核有点小问题，设置glewExperimental就可以修复，但希望再未来永远不要发生。

我们也可以用GLEW再次确认3.2版本是否存在：

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if(!GLEW_VERSION_3_2)

    throw std::runtime_error("OpenGL 3.2 API is not available.");

在LoadShaders函数中，我们使用本教程提供的tdogl::Shader和tdogl::Program两个类编译和链接了vertex shader和fragment shader。

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std::vector<tdogl::Shader> shaders;

shaders.push_back(tdogl::Shader::shaderFromFile(ResourcePath("vertex-shader.txt"), GL_VERTEX_SHADER));

shaders.push_back(tdogl::Shader::shaderFromFile(ResourcePath("fragment-shader.txt"), GL_FRAGMENT_SHADER));

gProgram = new tdogl::Program(shaders);

在LoadTriangle函数中，我们创建了一个VAO和VBO。这是第一步，创建和绑定新的VAO：

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glGenVertexArrays(1, &gVAO);

glBindVertexArray(gVAO);

然后我们创建和绑定新的VBO：

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glGenBuffers(1, &gVBO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, gVBO);

接着，我们上传一些数据到VBO中。这些数据就是三个顶点，每个顶点包含三个GLfloat。

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GLfloat vertexData[] = {

    //  X     Y     Z

     0.0f, 0.8f, 0.0f,

    -0.8f,-0.8f, 0.0f,

     0.8f,-0.8f, 0.0f,

};

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertexData), vertexData, GL_STATIC_DRAW);

现在缓冲区包含了三角形的三个顶点，是时候开始设置VAO了。首先，我们应该启用shader程序中的vert变量。这些变量能被开启或关闭，默认情况下是关闭的，所以我们需要开启它。vert变量是一个“属性变量（attribute variable）”，这也是为何OpenGL函数名称中有带“Attrib”。我们可以在后续的文章中看到更多类型。

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glEnableVertexAttribArray(gProgram->attrib("vert"));

VAO设置最复杂的部分就是下个函数：glVertexAttribPointer。让我们先调用该函数，等会解释。

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glVertexAttribPointer(gProgram->attrib("vert"), 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);

第一个参数，gProgram->attrib("vert")，这就是那个需要上传数据的shder变量。在这个例子中，我们需要发数据给vertshader变量。

第二个参数，3表明每个顶点需要三个数字。

第三个参数，GL_FLOAT说明三个数字是GLfloat类型。这非常重要，因为GLdouble类型的数据大小跟它是不同的。

第四个参数，GL_FALSE说明我们不需要对浮点数进行“归一化”，假如我们使用了归一化，那这个值会被限定为最小0，最大1。我们不需要对我们的顶点进行限制，所以这个参数为false。

第五个参数，0，该参数可以在顶点之间有间隔时使用，设置参数为0，表示数据之间没有间隔。

第六个参数，NULL，假如我们的数据不是从缓冲区头部开始的话，可以设置这个参数来指定。设置该参数为NULL，表示我们的数据从VBO的第一个字节开始。

现在VBO和VAO都设置完成，我们需要对它们进行解绑定，防止一不小心被哪里给更改了。

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glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

glBindVertexArray(0);

到此，shader，VBO和VAO都准备好了。我们可以开始在Render函数里绘制了。

首先，我们先清空下屏幕，让它变成纯黑色：

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glClearColor(0, 0, 0, 1); // black

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

然后告诉OpenGL我们要开始使用VAO和shader了：

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glUseProgram(gProgram->object());

glBindVertexArray(gVAO);

最后，我们绘制出三角形：

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glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

调用glDrawArrays函数说明我们需要绘制三角形，从第0个顶点开始，有3个顶点被发送到shader。OpenGL会在当前VAO范围内确定该从哪里获取顶点。

顶点将会从VBO中取出并发送到vertex shader。然后三角形内的每个像素会发送给fragment shader。接着fragment shader将每个像素变成白色。欢呼！

现在绘制结束了，为了安全起见，我们需要将shader和VAO进行解绑定：

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glBindVertexArray(0);

glUseProgram(0);

最后一件事，在我们看到三角形之前需要切换帧缓冲：

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glfwSwapBuffers(gWindow);

在帧缓冲被交换前，我们会绘制到一个不可见的离屏（off-screen）帧缓冲区。当我们调用glfwSwapBuffers时，离屏缓冲会变成屏幕缓冲，所以我们就能在窗口上看见内容了。

第一个OpenGL程序解读

OpenGL中的大多数函数使用了一种基于状态的方法，大多数OpenGL对象都需要在使用前把该对象绑定到context上。这里有两个新名词——OpenGL对象和Context。

Context

Context是一个非常抽象的概念，我们姑且把它理解成一个包含了所有OpenGL状态的对象。如果我们把一个Context销毁了，那么OpenGL也不复存在。

OpenGL对象

我们可以把OpenGL对象理解成一个状态的集合，它负责管理它下属的所有状态。当然，除了状态，OpenGL对象还会存储其他数据。注意。这些状态和上述context中的状态并不重合，只有在把一个OpenGL对象绑定到context上时，OpenGL对象的各种状态才会映射到context的状态。因此，这时如果我们改变了context的状态，那么也会影响这个对象，而相反地，依赖这些context状态的函数也会使用存储在这个对象上的数据。

因此，OpenGL对象的绑定既可能是为了修改该对象的状态（大多数对象需要绑定到context上才可以改变它的状态），也可能是为了让context渲染时使用它的状态。

画了一个图，仅供理解。图中灰色的方块代表各种状态，箭头表示当把一个OpenGL对象绑定到context上后，对应状态的映射。

OpenGL教程一

前面提到过，OpenGL就是一个“状态机”。那些各种各样的API调用会改变这些状态，或者根据这些状态进行操作。但我们要注意的是，这只是说明了OpenGL是怎样被定义的，但硬件是否是按状态机实现的就是另一回事了。不过，这不是我们需要担心的地方。

OpenGL对象包含了下面一些类型：Buffer Objects，Vertex Array Objects，Textures，Framebuffer Objects等等。我们下面会讲到Vertex Array Objects这个对象。

这些对象都有三个相关的重要函数：

1、负责生成一个对象的name。而name就是这个对象的引用。

  1. void glGen*(GLsizei n​, GLuint *objects​);

2、负责销毁一个对象

  1. void glDelete*(GLsizei n​, const GLuint *objects​);

3、将对象绑定到context上。

  1. void glBind*(GLenum target​, GLuint object​);
在开始第一个程序之前，我们还要了解一些图形名词。
 
  • 渲染（Rendering）：计算机从模型到创建一张图像的过程。OpenGL仅仅是其中一个渲染系统。它是一个基于光栅化的系统，其他的系统还有光线追踪（但有时也会用到OpenGL）等。
  • 模型（Models）或者对象（Objects）：这里两者的含义是一样的。指从几何图元——点、线、三角形中创建的东西，由顶点指定。
  • Shaders：这是一类特殊的函数，是在图形硬件上执行的。我们可以理解成，Shader是一些为图形处理单元（GPU）编译的小程序。OpenGL包含了编译工具来把我们编写的Shader源代码编译成可以在GPU上运行的代码。在OpenGL中，我们可以使用四种shader阶段。最常见的就是vertex shaders——它们可以处理顶点数据；以及fragment shaders，它们处理光栅化后生成的fragments。vertex shaders和fragment shaders是每个OpenGL程序必不可少的部分。
  • 像素（pixel）：像素是我们显示器上的最小可见元素。我们系统中的像素被存储在一个帧缓存（framebuffer）中。帧缓存是一块由图形硬件管理的内存空间，用于供给给我们的显示设备。
 
 

惊鸿一瞥

 
 
我们的第一个程序（不完整）的运行结果如下：
 
OpenGL教程一
 
 
代码如下（提示：这里可以粗略地看下中文注释，后面会更详细讲述的）：
///////////////////////////////////////////////////////////////////////

//

// triangles.cpp

//

///////////////////////////////////////////////////////////////////////

//--------------------------------------------------------------------

//

// 在程序一开头,我们包含了所需的头文件,

// 声明了一些全局变量(但通常是不用全局变量在做的,这里只是为了说明一些基本问题)

// 以及其他一些有用的程序结构

//

#include <iostream>

using namespace std;

#include "vgl.h"

#include "LoadShaders.h"

enum VAO_IDs { Triangles, NumVAOs };

enum Buffer_IDs { ArrayBuffer, NumBuffers };

enum Attrib_IDs { vPosition =  };

GLuint  VAOs[NumVAOs];

GLuint  Buffers[NumBuffers];

const GLuint NumVertices = ;

//---------------------------------------------------------------------

//

// init

//

// init()函数用于设置我们后面会用到的一些数据.例如顶点信息,纹理等

//

void init(void) {

    glGenVertexArrays(NumVAOs, VAOs);

    glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);

    // 我们首先指定了要渲染的两个三角形的位置信息.

    GLfloat  vertices[NumVertices][] = {

        { -0.90, -0.90 },  // Triangle 1

        {  0.85, -0.90 },

        { -0.90,  0.85 },

        {  0.90, -0.85 },  // Triangle 2

        {  0.90,  0.90 },

        { -0.85,  0.90 }

    };

    glGenBuffers(NumBuffers, Buffers);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices),

                     vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 然后使用了必需的vertex和fragment shaders

    ShaderInfo  shaders[] = {

            { GL_VERTEX_SHADER, "triangles.vert" },

            { GL_FRAGMENT_SHADER, "triangles.frag" },

            { GL_NONE, NULL }

    };

    // LoadShaders()是我们自定义(这里没有给出)的一个函数,

    // 用于简化为GPU准备shaders的过程,后面会详细讲述

    GLuint program = LoadShaders(shaders);

    glUseProgram(program);

    // 最后这部分我们成为shader plumbing,

    // 我们把需要的数据和shader程序中的变量关联在一起,后面会详细讲述

    glVertexAttribPointer(vPosition, , GL_FLOAT,

                          GL_FALSE, , BUFFER_OFFSET());

    glEnableVertexAttribArray(vPosition);

}

//---------------------------------------------------------------------

//

// display

//

// 这个函数是真正进行渲染的地方.它调用OpenGL的函数来请求数据进行渲染.

// 几乎所有的display函数都会进行下面的三个步骤.

//

void display(void) {

    // 1. 调用glClear()清空窗口

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    // 2. 发起OpenGL调用来请求渲染你的对象

    glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);

    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, , NumVertices);

    // 3. 请求将图像绘制到窗口

    glFlush();

}

//---------------------------------------------------------------------

//

// main

//

// main()函数用于创建窗口,调用init()函数,最后进入到事件循环(event loop).

// 这里仍会看到一些以gl开头的函数,但和上面的有所不同.

// 这些函数来自第三方库,以便我们可以在不同的系统中更方便地使用OpenGL.

// 这里我们使用的是GLUT和GLEW.

//

int main(int argc, char** argv) {

    glutInit(&argc, argv);

    glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA);

    glutInitWindowSize(, );

    glutInitContextVersion(, );

    glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE);

    glutCreateWindow(argv[]);

    if (glewInit()) {

        cerr << "Unable to initialize GLEW ... exiting" << endl; exit(EXIT_FAILURE);

    }

    init();

    glutDisplayFunc(display);

    glutMainLoop();

}
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