CSharpGL(34)以从零编写一个KleinBottle渲染器为例学习如何使用CSharpGL

CSharpGL(34)以从零编写一个KleinBottle渲染器为例学习如何使用CSharpGL

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

开始

本文用step by step的方式，讲述如何使用CSharpGL渲染一个Klein Bottle，从而得到下图所示的图形。你会看到这并不困难。

 

 

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用Modern OpenGL渲染

在Modern OpenGL中，shader是在GPU上执行的程序，用于计算图形最终的样子；模型则提供顶点数据给shader。也就是说，shader是算法，模型是数据结构。渲染器(Renderer)就是将两者联合起来，实现渲染的那么一个干活的工人。

比喻来说，模型是白菜豆腐牛羊猪肉这些食材，shader是煎炒烹炸川鲁粤苏这些做法，渲染器(Renderer)就是厨师。

我们要用Modern OpenGL渲染一个Klein Bottle，就得完成shader、模型、渲染器这三项。为了避免可有可无的细节干扰，本文都采用最简单的方式。

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Shader

我认为从shader开始是一个好习惯，因为shader里除了算法本身，也定义了数据结构（最底层的形式），在shader、模型、渲染器三者中算得上是最为完整的了。

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Vertex shader

下面这个vertex shader已经十分简单了。它的功能就是将Klein Bottle模型的一个顶点从模型空间(Model Space)坐标系变换到裁剪空间(Clip Space)坐标系。

#version 150 core

in vec3 in_Position;// 一个顶点
uniform mat4 projectionMatrix;// 投影矩阵
uniform mat4 viewMatrix;// 视图矩阵
uniform mat4 modelMatrix;// 模型矩阵

void main(void) {
    // 计算顶点位置
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(in_Position, 1.0);
}

 

简单来说，vertex shader程序会对KleinBottle模型上的每个顶点都执行一次。因此在输入数据上写的是`in vec3 in_Position`，而不是`in vec3 in_Positions[]`。由于各个顶点之间互不影响，所以GPU就可以通过并行计算的方式大幅度提高渲染效率。即使有上百万个顶点，GPU也可以同时计算，这等于用一次执行的时间代替了CPU上的一个大型循环的时间。

而`uniform`修饰的变量则是对每次执行的vertex shader都相同的（即全局变量）。

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Fragment shader

下面这个fragment shader也是十分简单的。它的功能就是计算每个顶点的颜色。简单来说，这个fragment shader程序也会对KleinBottle模型上的每个顶点都执行一次。（这是最简单的情况，为了不分散精力，现在这样认为即可）

Fragment shader里的`out_Color`你可以改成其他你喜欢的名字，其效果是一样的。

#version 150 core

out vec4 out_Color;// 输出到屏幕

uniform vec3 uniformColor = vec3(1, 1, 1);// 颜色为白色

void main(void) {
    out_Color = vec4(uniformColor, 1.0f);// 输出指定的颜色
}

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Klein Bottle模型

菜系已然确定，下面就该准备食材（模型数据）了。

下面我们就新建一个KleinBottleModel类。为了融入CSharpGL，让它实现`IBufferable`接口。这个接口的作用是把各式各样的模型数据转化为shader能接受的顶点属性缓存(Vertex Buffer Object)和索引缓存(Index Buffer Object)。（顺带处理一点其他的小事）

    class KleinBottleModel : IBufferable
    {
    }

 

下面我们来逐步完成这个Model类。

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公式

Klein Bottle是个著名的三维模型，可以用一个公式来计算它的每个顶点。

 

（0 ≤ u < π and 0 ≤ v < 2π）

这个公式输入变量是u和v，输出是(x, y, z)。我们先用程序来描述一下这个公式：

        private vec3 GetPosition(double u, double v)
        {
            double sinU = Math.Sin(u), cosU = Math.Cos(u);
            double sinV = Math.Sin(v), cosV = Math.Cos(v);
            double x = -2.0 * cosU * (3 * cosV - 30 * sinU + 90 * Math.Pow(cosU, 4) * sinU - 60 * Math.Pow(cosU, 6) * sinU + 5 * cosU * cosV * sinU);
            double y = -1.0 * sinU * (3 * cosV - 3 * Math.Pow(cosU, 2) * cosV - 48 * Math.Pow(cosU, 4) * cosV + 48 * Math.Pow(cosU, 6) * cosV - 60 * sinU + 5 * cosU * cosV * sinU - 5 * Math.Pow(cosU, 3) * cosV * sinU - 80 * Math.Pow(cosU, 5) * cosV * sinU + 80 * Math.Pow(cosU, 7) * cosV * sinU);
            double z = 2.0 * (3.0 + 5 * cosU * sinU) * sinV;

            return new vec3((float)x, (float)y, (float)z);
        }

在u、v各自的范围内，各自采样的点越多，模型就越细致，那么到底要采样多少呢？我们就用一个`double interval`来控制。

        private double interval;

        private int GetUCount(double interval)
        {
            int uCount = (int)(Math.PI / interval);
            return uCount;
        }

        private int GetVCount(double interval)
        {
            int vCount = (int)(Math.PI * 2 / interval / 10.0);
            return vCount;
        }

        public KleinBottleModel(double interval = 0.02)
        {
            this.interval = interval;
        }

 

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实现IBufferable

下面来实现`IBufferable`接口。

        public const string strPosition = "position";// buffer name.
        private VertexAttributeBufferPtr positionBufferPtr = null;

        /// <summary>
        /// 获取指定的顶点属性缓存。
        /// <para>Gets specified vertex buffer object.</para>
        /// </summary>
        /// <param name="bufferName">buffer name(Gets this name from 'strPosition' etc.</param>
        /// <param name="varNameInShader">name in vertex shader like `in vec3 in_Position;`.</param>
        /// <returns>Vertex Buffer Object.</returns>
        VertexAttributeBufferPtr IBufferable.GetVertexAttributeBufferPtr(string bufferName, string varNameInShader)
        {
            // …
        }

        private IndexBufferPtr indexBufferPtr = null;


        IndexBufferPtr IBufferable.GetIndexBufferPtr()
        {
            // …
        }

        /// <summary>
        /// Uses <see cref="ZeroIndexBuffer"/> or <see cref="OneIndexBuffer"/>.
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        bool IBufferable.UsesZeroIndexBuffer() { return true; }

 

顶点属性缓存——位置(Vertex Attribute Buffer – Position)

为了简单，本例中的Klein Bottle，我们只给它一条顶点属性，即必不可少的位置。等学会了这个，今后再加其他的属性（颜色、法线等等）就可以触类旁通了。

提供顶点属性缓存的是`IBufferable.GetVertexAttributeBufferPtr (string bufferName, string varNameInShader);`这个方法。根据`bufferName`，这个方法提供用户需要的缓存对象。下面就是实现这个方法的框架结构。

        VertexAttributeBufferPtr IBufferable.GetVertexAttributeBufferPtr(string bufferName, string varNameInShader)
        {
            if (bufferName == KleinBottleModel.strPosition)
            {
                if (this.positionBufferPtr == null)
                {
                    this.positionBufferPtr = GetPositionBufferPtr(varNameInShader);
                }
                return this.positionBufferPtr;
            }
            else
            {
                throw new ArgumentException();
            }
        }

 

具体创建位置缓存的方法如下。

        private VertexAttributeBufferPtr GetPositionBufferPtr(string varNameInShader)
        {
VertexAttributeBufferPtr positionBufferPtr = null;
// 在CPU端创建缓存buffer，buffer实际上是一个数组，数组元素的类型为vec3。
            using (var buffer = new VertexAttributeBuffer<vec3>(
                varNameInShader, VertexAttributeConfig.Vec3, BufferUsage.StaticDraw))
            { 
                int uCount = GetUCount(this.interval);
                int vCount = GetVCount(this.interval);             
                // 申请非托管数组（长度为uCount * vCount * sizeof(vec3)个字节）。到此才真正得到了一个可能很大的空间。
  buffer.Create(uCount * vCount);
                unsafe
                {
                    int index = 0;
                    // 用unsafe方式设置数组元素的值。
                    var array = (vec3*)buffer.Header.ToPointer();
                    for (int uIndex = 0; uIndex < uCount; uIndex++)
                    {
                        for (int vIndex = 0; vIndex < vCount; vIndex++)
                        {
                            double u = Math.PI * uIndex / uCount;
                            double v = Math.PI * 2 * vIndex / vCount;
                            vec3 position = GetPosition(u, v);
                            array[index++] = position;
                        }
                    }
                }

                // GetBufferPtr()将CPU端的数组上传到GPU端，GPU返回此buffer的指针，将此指针及其相关数据封装起来，就成为了我们需要的位置缓存对象。
                positionBufferPtr = buffer.GetBufferPtr();
            }// using(){} 结束，CPU端的非托管数组空间被释放。即CPU端不再需要保持buffer了。

            return positionBufferPtr;
        }

 

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索引属性缓存

每个渲染器(Renderer)都需要一个索引缓存。索引缓存告诉GPU，顶点属性缓存里的数据是按怎样的顺序依次渲染的。本例用最简单的索引缓存`ZeroIndexBuffer`。`ZeroIndexBuffer`用`glDrawArrays()`这个OpenGL指令来渲染。

        private IndexBufferPtr indexBufferPtr = null;

        IndexBufferPtr IBufferable.GetIndexBufferPtr()
        {
            if (indexBufferPtr == null)
            {
                int uCount = GetUCount(interval);
                int vCount = GetVCount(interval);
                using (var buffer = new ZeroIndexBuffer(DrawMode.Points, 0, uCount * vCount))
                {
                    indexBufferPtr = buffer.GetBufferPtr();
                }
            }

            return indexBufferPtr;
        }

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渲染器(Renderer)

渲染器要做的已经被`Renderer`类型封装好，只需继承之就可以。

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KleinBottleRenderer

    class KleinBottleRenderer : Renderer
    {
        private KleinBottleRenderer(IBufferable model, ShaderCode[] shaderCodes,
            AttributeNameMap attributeNameMap, params GLSwitch[] switches)
            : base(model, shaderCodes, attributeNameMap, switches)
        {
            // 设定点的大小。
            this.switchList.Add(new PointSizeSwitch(3));
        }
    }

你注意到这个`KleinBottleRenderer`的构造函数被标记为`private`。这是因为我们不想每次都让用户去指定那些参数（又麻烦又困难），我们用一个`static`方法来创建` KleinBottleRenderer `。

    class KleinBottleRenderer : Renderer
    {
        public static KleinBottleRenderer Create(KleinBottleModel model)
        {
            var shaderCodes = new ShaderCode[2];
            shaderCodes[0] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"shaders\KleinBottle.vert"), ShaderType.VertexShader);
            shaderCodes[1] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"shaders\KleinBottle.frag"), ShaderType.FragmentShader);
            var map = new AttributeNameMap();
            map.Add("in_Position", // variable name in vertex shader.
                KleinBottleModel.strPosition // buffer name in model.
                );
            var renderer = new KleinBottleRenderer(model, shaderCodes, map);

            return renderer;
        }
    }

 你注意到这里有个`AttributeNameMap`对象，它指定了shader中的in属性与`IBufferable`模型中的顶点属性的对应关系。有了这个map，`Renderer`才能把shader和模型关联起来。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

Override渲染功能

对于每个具体的Renderer，或多或少都有各自的特殊设定。因此需要override DoRender();方法。此方法完成了真正执行渲染的功能。

    class KleinBottleRenderer : Renderer
    {
        public vec3 UniformColor { get; set; }
        
        protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)
        {
            mat4 projection = arg.Camera.GetProjectionMatrix();
            mat4 view = arg.Camera.GetViewMatrix();
            mat4 model = this.GetModelMatrix();
            this.SetUniform("projectionMatrix", // variable name in shader.
projection);
            this.SetUniform("viewMatrix", // variable name in shader.
view);
            this.SetUniform("modelMatrix", // variable name in shader.
model);
            this.SetUniform("uniformColor", // variable name in shader.
this.uniformColor);

            base.DoRender(arg);
        }
    }

 

可见一般都是设定一些uniform变量。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

Override 初始化功能

对于每个具体的Renderer，或多或少都有各自的特殊项目需要初始化。因此需要override DoInitialize();方法。不过本例实际上并不需要。

    class KleinBottleRenderer : Renderer
    {
        protected override void DoInitialize()
        {
            base.DoInitialize();
        }
    }

现在渲染功能准备完毕，我们把它放到窗口上，真正画出来。

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GLCanvas

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拽控件

首先我们在项目中添加一个窗口。

 

 

然后拽一个GLCanvas控件进来。

 

稍微布局一下，好看点。

 

关闭这个窗口，然后重新打开，你应该能看到下面的景象。立方体不停地旋转，钟表则一直显示当前时间，左下角写着控件全名，左上角是FPS。这表明GLCanvas运转良好。

 

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

场景

控件就准备好了。下面就把一个 KlienBottleRenderer加入此控件。

首先来准备好场景`Scene`，有了场景，就可以添加、管理多个Renderer。当然，本例只需要1个。

        private Scene scene;

        private void Form_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            // step 1.
            // 创建摄像机。
            var camera = new Camera(
                new vec3(3, 4, 5) * 4, new vec3(0, 0, 0), new vec3(0, 1, 0),
                CameraType.Perspecitive, this.glCanvas1.Width, this.glCanvas1.Height);
            // 指定移动摄像机的方式（让摄像机像卫星一样围绕目标旋转）。
            var rotator = new SatelliteManipulater();
            rotator.Bind(camera, this.glCanvas1);
            // 创建场景。
            var scene = new Scene(camera, this.glCanvas1);
            // 指定背景色。
            scene.ClearColor = Color.SkyBlue;
            this.scene = scene;
            // 指定Resize如何处理。
            this.glCanvas1.Resize += this.scene.Resize;

            // step 2.
            // …
        }

 

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场景对象

有场景了，该往里面加一些能渲染的对象了。本例就加入一个` KleinBottleRenderer`。

private void Form_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            // step 1.
            // …
            // step 2.
            // 创建Renderer。
            KleinBottleRenderer renderer = KleinBottleRenderer.Create(new KleinBottleModel(interval: 0.2));
            // 把renderer封装为SceneObject。
            SceneObject obj = renderer.WrapToSceneObject(generateBoundingBox: true);
            // 把SceneObject加入场景的对象列表（其实是个树结构）。
            this.scene.RootObject.Children.Add(obj);
        }

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UI

其实这样就可以了。不过为了更多地展示Scene的能力，我们再添加一个UI对象——坐标轴到窗口的左下角。

private void Form_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            // step 3.
            // 创建一个坐标轴对象。
            var uiAxis = new UIAxis(AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Bottom,
                new Padding(3, 3, 3, 3), new Size(128, 128));
            // 坐标轴对象加入到场景里的UI列表（其实是个树结构）。
            this.scene.UIRoot.Children.Add(uiAxis);
        }

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其他

至此你就可以看到本文开始处渲染出的效果了。

使用CSharpGL，你可以获得如下好处：

★不必担心使用OpenGL指令时不小心用错了各种各样的target、param等标记。这种易错又难易排查的问题往往会让初学者想去自杀。

★CSharpGL会自动释放那些不需要的CPU端Buffer占用的内存。CSharpGL通过封装好的Buffer对象的使用方式，保证了不需要的大量空间会被及时释放。

★CSharpGL封装了拾取、拖拽模型、UI、文字、场景等常用的功能，你只需继承这些类型即可使用。CSharpGL对每项功能都提供了Demo，运行这些demo，就可以得知如何使用这些功能。

★可以用PropertyGrid来实时控制渲染效果，这是十分便利的工具。例如本例中，你可以用PointSizeSwitch来控制渲染的顶点的大小。

 

 

★我将持续更新CSharpGL。虽然不能保证最后能做到多好多强大。。。。。。

 

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

总结

你可以尝试用`OneIndexBuffer`代替`ZeroIndexBuffer`，从而实现画线、面。`OneIndexBuffer`用的是`glDrawElements()`。