OpenGL环境配置及着色器工作流

OpenGL相关笔记

最近在看图像后处理相关代码，学了一段时间的opengl，下面是从思维导图笔记转化过来的文档
学习的相关知识来源于 [https://learnopengl-cn.github.io/intro/]

一、环境配置和相关概念

1.1 环境配置

vs2019+nuget

nuget 安装 glfw glew-c++

可能遇到的问题：__imp__glClear@4，该符号在函数 _main 中被引用

原因：未引入依赖项opengl32.lib

解决方法：版本、平台、附加依赖项opengl32.lib

1.2 包相关知识

OpenGL utility library 标准GLU 头文件 gl.h glu.h
OpenGL utility toolkit 工具箱GLUT 头文件 glut.h

区别：
glew（The OpenGL Extension Wrangler Library）是对底层OpenGL接口的封装，可以让你的代码跨平台。

GLEW是用来管理OpenGL的函数指针的

glad与glew作用相同，可以看作它的升级版。

glew.h

不同的显卡公司，也会发布一些只有自家显卡才支 持的扩展函数，你要想用这数涵数，不得不去寻找最新的glext.h,有了GLEW扩展库，你就再也不用为找不到函数的接口而烦恼，因为GLEW能自动识别你的平台所支持的全部OpenGL高级扩展函数。也就是说，只要包含一个glew.h头文件，你就能使用gl,glu,glext,wgl,glx的全部函数。

glfw.h

一个轻量级的，开源的，跨平台的library。支持OpenGL及OpenGL ES，用来管理窗口，读取输入，处理事件等。因为OpenGL没有窗口管理的功能，所以很多热心的人写了工具来支持这些功能，比如早期的glut，现在的freeglut等。那么GLFW有何优势呢？glut太老了，最后一个版本还是90年代的。freeglut完全兼容glut，算是glut的代替品，功能齐全，但是bug太多。稳定性也不好（不是我说的啊），GLFW应运而生。

1.3 基础概念

1.3.1 着色

• 名词

  • 管线：将3D坐标转换为2D坐标，然后将2D坐标转换Wie2D像素输出

  • 顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO

    • 在VAO后创建的VBO都属于该VAO。关联VBO数据用取得当前激活的缓存区对象偏移来指定。
    • VAO是一个保存了所有顶点数据属性的状态结合，它存储了顶点数据的格式以及顶点数据所需的VBO对象的引用

  • 顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO

    • 优点：采用VBO、VAO节省了绘制多个物体时 CPU 与 GPU 之间的通讯时间，提高了渲染性能。
    • VBO是内存缓冲区，用来保存顶点信息，颜色信息，法线信息，纹理坐标信息和索引信息等等

  • Uniform

    • 从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式
    • 全局变量，以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问

• 着色器运行在GPU上，存在每个渲染管线阶段

• OpenGL 着色器是用 OpenGL 着色器语言 (OpenGL Shading Language 即 GLSL)

• GLSL中的向量是一个可以包含有1、2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个

​ cnblog参考

• https://www.cnblogs.com/zhxmdefj/p/11255134.html

1.3.2 着色器代码特点

• 着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform(以后会解释)和main函数

1.3.3 layout

• 顶点在内存的布局
• layout（location=0） 代表元素排列在顶点数据内存为0位置

二、顶点数据（缓冲）的创建及属性配置

2.1 VBO

• VBO创建

  • 生成缓冲区对象

    • glGenBuffers(1, &VBO)
  • 2. 绑定顶点信息
    • glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
  • 3. 数据传输
    • glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

• 删除

  • glDeleteBuffers(1, &VBO);

• 解除绑定

  • glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)

2.2 VAO

• VAO创建

  • 1. 生成VAO对象
    • glGenVertexArrays(1, &VAO);
  • 2. 绑定VAO
    • glBindVertexArray(VAO);
    • 执行VAO绑定之后其后的所有VBO配置都是这个VAO对象的一部分，可以说VBO是对顶点属性信息的绑定，VAO是对很多个VBO的绑定。

• 删除

  • glDeleteVertexArrays(1, &VAO);

• 解除绑定

  • glBindVertexArray(0)

配置VAO和VBO

• 1. 解释顶点数据，设置顶点属性指针
  • glVertexAttribPointer
• 2. 启用顶点数据
  • glEnableVertexAttribArray

2.3 EBO

• VBO创建

  • 生成缓冲区对象

    • glGenBuffers(1, &EBO);
  • 2. 绑定顶点信息
    • glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
  • 3. 数据传输
    • glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

• 删除

  • glDeleteBuffers(1, &VBO);

• 解除绑定

  • glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)

注意点

​ 当目标是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER的时候，VAO会储存glBindBuffer的函数调用。这也意味着它也会储存解绑调用，所以确保你没有在解绑VAO之前解绑索引数组缓冲，否则它就没有这个EBO配置了

三、着色器工作流

3.1 着色器对象创建及编译

• 顶点着色器

  • glCreateShader ( GL_VERTEX_SHADER )
  • glShaderSource
  • glCompileShader ( vertexShader );
  • glGetShaderiv ( vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success );

• 片段着色器

• 顶点着色器

  • 创建着色器

    • glCreateShader ( GL_VERTEX_SHADER )

  • glShaderSource

  • glCompileShader ( vertexShader );

  • glGetShaderiv ( vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success );

3.2 链接着色器对象到用来渲染的着色器程序中

• glLinkProgram(shaderProgram);

3.3 程序调用

• glUseProgram(shaderProgram);

四、绘制工作流

4.1 使用当前的激活的着色器

• glUseProgram(shaderProgram);

4.2 绑定相应的VAO

• glBindVertexArray(VAO);

4.3 绘制物体

• glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

4.4 解绑VAO

思路：它使用当前激活的着色器，之前定义的顶点属性配置，和VBO的顶点数据（通过VAO间接绑定）来绘制图元。

五、纹理工作流（未完成）

glTexParameteri

• 作用：确定如何把纹理象素映射成像素，因为图象从纹理图象空间映射到帧缓冲图象空间(映射需要重新构造纹理图像,这样就会造成应用到多边形上的图像失真)

• glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);

• glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

• 参数：1.指定纹理目标类型 2.指定设置的选项与应用的纹理轴 3.递一个环绕方式(Wrapping)

  • 纹理类型

    • GL_TEXTURE_2D
    • GL_TEXTURE_3D

  • 设置选项

    • STR方向上的贴图模式

      • 应用的纹理轴S、T、R：类似x、y、z

      • GL_TEXTURE_WRAP_S: S方向上的贴图模式

      • 环绕Wrapping

        • GL_REPEAT ：对纹理的默认行为。重复纹理图像。
        • GL_MIRRORED_REPEAT ：和GL_REPEAT一样，但每次重复图片是镜像放置的。
        • GL_CLAMP_TO_EDGE ：纹理坐标会被约束在0到1之间，超出的部分会重复纹理坐标的边缘，产生一种边缘被拉伸的效果。
        • GL_CLAMP_TO_BORDER：超出的坐标为用户指定的边缘颜色。

    • 纹理过滤

      • GL_TEXTURE_MAG_FILTER: 放大过滤

      • GL_TEXTURE_MIN_FILTER: 缩小过滤

      • 过滤方式

        • GL_LINEAR: 线性过滤
        • GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST: 邻近过滤

  • 多级过滤

glBindTexture

• 绑定纹理
• glBindTexture(GL_TEXTURE_3D, pTexture->GetTextureName());

glGenerateMipmap

glTexImage2D

glGenTextures

• 生成纹理
• glGenTextures(1, &texture);

glActiveTexture

纹理坐标

• 纹理坐标是你给模型顶点设置的那个数组，OpenGL以这个顶点的纹理坐标数据去查找纹理图像上的像素，然后进行采样提取纹理像素的颜色。
• 纹理坐标范围为0到1之间，纹理坐标起始于(0, 0)，也就是纹理图片的左下角，终始于(1, 1)，即纹理图片的右上角
• 每个顶点就会关联着一个纹理坐标，用来标明该从纹理图像的哪个部分采样

六、附录-常用函数

顶点数据

• glBufferData

  • 调用glBufferData函数，把之前定义的顶点数据复制到显存缓冲区中
  • glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

• glBindBuffer

  • 把新创建的缓冲绑定到指定类型上，参数：缓冲类型、缓冲ID

  • 目标缓存类型

    • GL_ARRAY_BUFFER
    • GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER

• glEnableVertexAttribArray

  • 允许顶点着色器读取GPU（服务器端）数据：数据在GPU端是否可见，即，着色器能否读取到数据，由是否启用了对应的属性决定
  • 与其他区别。glVertexAttribPointer或VBO只是建立CPU和GPU之间的逻辑连接，从而实现了CPU数据上传至GPU

• glVertexAttribPointer

  • 参数：1.位置 2.大小 3.数据类型 4.标准化 5.步长 6.偏移量

    计算步长值。为获得数据队列中下一个属性值：3个是位置值，另外3个是颜色值。这使我们的步长值为6乘以float的字节数

    计算偏移量：如颜色值3个float

  • 指定了渲染时索引值为 index 的顶点属性数组的数据格式和位置。它们之间也是通过上下文，只有唯一的激活VAO，在VAO后创建的VBO都属于该VAO。关联VBO数据用取得当前激活的缓存区对象偏移来指定。

• glBufferData

  • 作用：用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数

  • 参数：1是目标缓冲的类型 2.指定传输数据的大小 3.发送的实际数据 4.显卡如何管理给定数据

  • 目标缓存类型

    • GL_ARRAY_BUFFER
    • GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER

  • 显卡如何管理给定的数据

    • GL_STATIC_DRAW ：数据不会或几乎不会改变。
    • GL_DYNAMIC_DRAW：数据会被改变很多。
    • GL_STREAM_DRAW ：数据每次绘制时都会改变。

• glGenBuffers

  • void glGenBuffers(GLsizei n,GLuint * buffers);
  • 第一个参数是要生成的缓冲对象的数量，第二个是要输入用来存储缓冲对象名称的数组
    该函数会在buffers里返回n个缓冲对象的名称。

• glBindVertexArray

glUniform4f

• 设置uniform值：无返回
• glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

glUseProgram

• 调用程序：无返回
• glUseProgram(shaderProgram);

glGetUniformLocation

• 查询uniform ourColor的位置值：返回位置值，-1代表未查询到
• int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");

着色器对象和程序

• glCreateShader

  • 创建一个着色器对象，并返回着色器对象ID引用

  • 类型

    • GL_VERTEX_SHADER
    • GL_FRAGMENT_SHADER

• glCompileShader

  • 编译着色器对象
  • glCompileShader(vertexShader); 参数为着色器对象

• glShaderSource

  • 把这个着色器源码附加到着色器对象
  • 参数：1. 待编译的着色器对象 2.指定传递的源码字符串数量 3.顶点着色器真正的源码 4.
  • glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);

• glCreateProgram

  • 创建一个程序，并返回新创建程序对象的ID引用
  • shaderProgram = glCreateProgram();

• glAttachShader

  • 将着色器对象附加到程序
  • glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);

• glLinkProgram

  • glLinkProgram(shaderProgram);
  • 链接

• glUseProgram

  • 调用程序
  • glUseProgram(shaderProgram);
  • 在glUseProgram函数调用之后，每个着色器调用和渲染调用都会使用这个程序对象（也就是之前写的着色器)了。
  • 在把着色器对象链接到程序对象以后，记得删除着色器对象

绘图

• glDrawArrays

  • 使用当前绑定的缓冲对象引进行绘制：
  • glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
  • 参数：1.图元类型 2.指定了顶点数组的起始索引 3.指定我们打算绘制多少个顶点

• glDrawElements

  最后一个参数不是很懂

  • 使用当前绑定的索引缓冲对象中的索引进行绘制：
  • glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
  • 参数：1.图元类型 2.绘制顶点格式 3.索引类型 4. 指定EBO中偏移量

• 线框模式

  • 用线框模式绘制你的三角形
  • 设置线框模式 glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE)
  • 取消线框模式 glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL)

• 图元的类型

  • GL_TRIANGLES

GLAD

• glGetShaderInfoLog

  • glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);

• glGetShaderiv

  • 检测在调用glCompileShader后编译是否成功
  • glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);

• glGetProgramiv

  • 检测链接着色器程序是否失败
  • glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);