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【OpenGL】详解第一个OpenGL程序
写在前面
OpenGL能做的事情太多了!很多程序也看起来很复杂。很多人感觉OpenGL晦涩难懂,原因大多是被OpenGL里面各种语句搞得头大,一会gen一下,一会bind一下,一会又active一下。搞到最后都不知道自己在干嘛,更有可能因为某一步的顺序错误导致最后渲染出错,又或者觉得记下这些操作的顺序是非常烦人的一件事。那么,OpenGL为什么会长成这个样子呢?这篇文章旨在通过一个最简单的OpenGL程序开始,让我们能够“看懂”它,“记住”这些操作顺序。
我们先来解释一下OpenGL为什么会涉及这么多操作顺序。这是因为,和我们现在使用的C++、C#这种面向对象的语言不同,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。
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:
void glGen*(GLsizei n?, GLuint *objects?);
void glDelete*(GLsizei n?, const GLuint *objects?);
负责销毁一个对象。
void glBind*(GLenum target?, GLuint object?);
将对象绑定到context上。
关于OpenGL对象还有很多内容,这里就不讲了。可以参见官方wiki。
- 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
/////////////////////////////////////////////////////////////////////// // // 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 = 0 }; GLuint VAOs[NumVAOs]; GLuint Buffers[NumBuffers]; const GLuint NumVertices = 6; ?//--------------------------------------------------------------------- // // 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][2] = { { -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, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, BUFFER_OFFSET(0)); 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, 0, 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(512, 512); glutInitContextVersion(4, 3); glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE); glutCreateWindow(argv[0]); if (glewInit()) { cerr << "Unable to initialize GLEW ... exiting" << endl; exit(EXIT_FAILURE); } init(); glutDisplayFunc(display); glutMainLoop(); }
#version 430 core layout(location = 0) in vec4 vPosition; void main() { gl_Position = vPosition; }
#version 430 core out vec4 fColor; void main() { fColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0); }
OpenGL的语法
传递顶点数据:你会怎么做
{ {1, 1, 1}, {0, 0, 0}, {0, 0, 1} }
{2, 1, 0, 2, 1, 2}
那么OpenGL将会渲染6个顶点:
{ {0, 0, 1}, {0, 0, 0}, {1, 1, 1}, {0, 0, 1}, {0, 0, 0}, {0, 0, 1} }
{ {0, 0}, {0.5, 0}, {0, 1} }
注意,纹理数据的维度大小一定要和上面的坐标数组大小一致,而其他顶点属性数组的维度也要满足这个条件。这是非常容易理解的。
[{0, 0, 1}, {0, 1}], [{0, 0, 0}, {0.5, 0}], [{1, 1, 1}, {0, 0}], [{0, 0, 1}, {0, 1}], [{0, 0, 0}, {0.5, 0}], [{0, 0, 1}, {0, 1}] }
OpenGL的做法:VAO和VBO
VAO(Vertex Array Object)
layout(location = 0) in vec4 vPosition;
void glEnableVertexAttribArray?(GLuint index?);
与其对应的是glDisableVertexAttribArray? 函数。
VBO(Vertex Buffer Object)
void glVertexAttribPointer?( GLuint index?, GLint size?, GLenum type?, GLboolean normalized?, GLsizei stride?, const void *offset?); void glVertexAttribIPointer?( GLuint index?, GLint size?, GLenum type?, GLsizei stride?, const void *offset? ); void glVertexAttribLPointer?( GLuint index?, GLint size?, GLenum type?, GLsizei stride?, const void *offset? );
它们的作用大同小异,就是告诉OpenGl,编号为index的属性使用当前绑定在GL_ARRAY_BUFFER?的VBO。为了更好理解,我们举例:
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buf1); glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
上面第一行代码将buf1绑定到了GL_ARRAY_BUFFER?上。第二行意味着,编号为0的属性将使用buf1的数据,因为当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER?上的是buf1。第三行将缓存对象0绑定到了GL_ARRAY_BUFFER?上,这不会对顶点属性有任何影响,只有glVertexAttribPointer?函数可以影响它们!
写在最后
- OpenGL Programming Guide 8th Edition
- OpenGL Wiki
【OpenGL】详解第一个OpenGL程序