OpenGL学习笔记《二》绘制简单的图形

　　在开始绘图之前，简单的了解一下opengl的绘图流程。在opengl里面，所有的事物都是处于3D空间中，而我们的屏幕及像素是以2D表现的，所以就需要将3D转换为2D。opengl内部管理这个流程的叫做渲染管线，主要分为两个部分：3D坐标转换为2D坐标，2D坐标转换为带颜色的像素数据。细分来看主要分为6个流程/步骤，每个流程相互独立，以流程数据的输入、输出作为数据传递方式。每个流程/步骤，由一小段程序/代码组成，所以又可以称之为shader/着色器程序。而gpu对于这些片段程序的执行效率非常高，并且由于gpu的核心数多，可以并发执行的量也非常大。

　　这六个步骤如下所示：

 

 　　上图中蓝色标识的步骤，就是一般我们做shader编程的步骤。不过目前我们主要是做第一步（Vertex Shader顶点着色器）和第五步（Fragment Shader片段着色器）这两个步骤的编程。顶点着色器处理输入的顶点数据，转换好坐标，片段着色器处理进过光栅化后的像素数据，生成最终显示的颜色信息。

　　我们要在屏幕上绘制出简单的图形，那么就必须要提供顶点着色器和片段着色器，才能最终显示出样式、颜色正常的图形。

1、简单的着色器程序

　　首先是Vertex Shader，顶点着色器程序代码

const char* vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
        "layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
        "void main()\n{"
        "    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
        "}\0";

　　代码中指定了opengl的版本，然后指定了 in vec3类型的输入变量，这个是我们输入的顶点数据，注意到这里我们额外用到了layout（location = 0），这个在后面会提到。然后就是着色器程序的核心main函数了，在这里我们给opengl的內建变量gl_Position赋值，即我们传过来的顶点位置属性值。

　　其次是Fragment Shader，片段着色器程序代码

const char* fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
        "out vec4 FragColor;\n"
        "void main()\n{"
        "    FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
        "}\0";

　　同样的需要指定opengl的版本，然后声明一个out vec4类型的变量，这个表示是着色器的输出数据，也就是片段着色器处理好的像素颜色值的数据，没有这个返回，我们的绘图出来的将会是空白或者黑的。

　　然后我们需要根据程序代码编译链接成着色器程序

　　 // build and compile shader
    // --------------------------------
    // create vertex shader
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    // attach shader source
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vSource, nullptr);
    // compile shader
    glCompileShader(vertexShader);
    // check error
    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, nullptr, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // create fragment shader
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fSource, nullptr);
    glCompileShader(fragmentShader);
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, nullptr, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // build and link shaderprogram
    // --------------------------------
    // create shader program
    unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
    // attach shader and link program
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // check error
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, nullptr, infoLog);
        std::cout << "ERROR::PROGRAM::ATTACH_LINK_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // delete shader 
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);

　　创建和编译着色器的流程都差不多：

　　glCreateShader根据参数类型，返回我们需要创建的着色器类型；

　　glShaderSource将我们提供的着色器代码绑定到着色器上；

　　glCompileShader编译我们的着色器；

　　glGetShaderiv可以检查我们的编译结果；

 　　编译好着色器之后，我们需要创建着色器程序：

　　glCreateProgram创建着色器程序，返回一个unsigned int类型的索引ID，在后面我们需要用到；

　　glAttachShader将我们编译好的着色器附加到着色器程序上；

　　glLinkProgram链接好着色器程序；

　　glGetProgramiv可以检查我们的链接结果。

　　最后，我们需要删除编译的着色器，通过glDeleteShader方法。

　　我们最终需要用到的是glCreateProgram方法返回的着色器程序的索引ID。

2、提供顶点数据

　　上面的流程图中可以看到，第一步就是对输入的顶点数据进行处理，所以我们需要提供顶点数据。顶点数据包含顶点的位置、颜色、纹理坐标等多种类型的数据，在这里我们先简单的提供位置数据，颜色的话直接在片段着色器中固定一种颜色。

　　我们可以一次提供一个顶点数据，但是这个方式效率太低。以前的opengl也有一个Display list 的概念，一次打包提供一组数据，这样效率高，但是由于数据是直接存储在了GPU端，数据一旦提供了就无法再调整了。后来又提供了VBO（vertex buffer object）的概念，也是一次收集/打包好一组数据，但相较于Display List，数据是收集在CPU端，每次渲染会再传递一次。所以这种方式相较于一次提供一个顶点数据，效率更高，但是相较于Display List方式，效率稍微低一点，不过灵活性提高了。

　　所以我们首先可以声明一个顶点数据数组，然后绑定到VBO对象上：

float vertices[] = {
        -1.0f, -0.5f, 0.0f, // left
        0.0f, -0.5f, 0.0f, // right
        -0.5f, 0.5f, 0.0f // top
    };
unsigned int VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);
... loop
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glUseProgram(shaderProgram); 
...draw 
...loop

　　glBindBuffer 和 glBufferData 两个方法，及将顶点数据绑定VBO及赋值VBO对象的方法。然后GPU需要知道如何使用这些数据，glVertexAttribPointer方法负责让GPU知道如何使用这些数据。

　　glVertexAttribPointer的参数1对应我们在顶点着色器中提到的（layout = 0）的属性，参数2表示这个属性值用到的数据数量（我们这里用到的是位置属性，每个属性由三个浮点数据构成），参数3表示数据类型（我们这里用到的是浮点型），参数4表示是否需要对数据类型进行转换，参数5表示两两数据属性间的间隔（因为我们这里每个属性值之间是紧挨着的，所以间隔就是一个属性的数据量），参数6表示属性数据的起始索引（在这里我们填0，在后面涉及到配置多个顶点属性的时候，这个地方的值就会有变化）；

　　glEnableVertexAttribArray 方法的参数，指定激活我们配置的哪个属性，在上面我提到了配置的是（layout = 0） 的属性，所以这里填0；

　　在上面的代码中我们可以看到，在渲染的循环中，我们一直要调用绑定VBO、赋值VBO、设置数据使用方法等接口，有点复杂。这个时候就需要引入另外一个概念vertex array object（VAO），来简化我们的操作。VAO概念是用来记录我们在绑定、赋值VBO对象，设置数据使用方法的，在引入VAO之后，我们的渲染流程可以调整为：　　　　unsigned int VBO, VAO;    glGenVertexArrays(1, &VAO);

    glGenBuffers(1, &VBO);
    // bind the vertex array object
    glBindVertexArray(VAO);
    // bind the vertex buffer object
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    // fill data uage:GL_STATIC_DRAW, GL_DYNAMIC_DRAW, GL_STREAM_DRAW
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
    // tell opengl how it should interpret the vertex data
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
　　 ...loop
　　 glUseProgram(shaderProgram);
　　 glBindVertexArray(VAO);
　　 ...draw
　　 ...loop
　　 glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);

　　可以看到，我们的渲染流程变得简单了，数据的初始化和配置，放到了渲染流程之外，在渲染的时候，只需要绑定VAO对象，就可以直接执行绘图操作了。当然在循环退出之后，我们也要释放掉VAO和VBO对象。

3、绘制第一个三角形

　　在上面我们提供了一个包含3个顶点位置的顶点数据，创建好了着色器程序，同时也引入了VAO概念，简化了我们的渲染流程。opengl提供了简单的绘图方法供我们使用，在这里我们需要绘制的是三角形，我们可以用如下的代码来绘图：

　　glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

　　我们画的是三角形，所以我们第一个参数类型填的就是三角形；第二个参数指定顶点数据在数组中的起始位置，在这里我们填0；第三个参数表示要绘制的点数量，我们这里有三个顶点，我们传3就可以了。编译执行我们的项目，可以得到一个简单的三角形：

 

 4、绘制一个矩形

　　在上面我们绘制了一个三角形，现在我们要绘制一个矩形，该如何操作？

　　我们知道一个矩形可以通过画两个三角形实现，所以我们可以改一下我们的顶点数据数组，提供两个三角形的顶点数据

float vertices[] = {
    // first triangle
     0.5f,  0.5f, 0.0f,  // top right
     0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom right
    -0.5f,  0.5f, 0.0f,  // top left 
    // second triangle
     0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom right
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom left
    -0.5f,  0.5f, 0.0f   // top left
}; 

　　然后修改我们的绘图函数，将顶点数量改为6，我们就可以得到一个矩形了。

　　但是再看一下数组的数据，发现其中其实是有重复的，比如第一个三角形的右下角和第二个三角形的右下角。如果要绘制的矩形数量较少影响不大，如果矩形数量多了，那么我们就会有好多重复的数据，将会占用额外的内存，同时也造成项目数据复杂化了。所以此时我们需要引入另外一个概念element buffer object（EBO）对象，来简化我们的操作，在中文中这个对象也翻译为顶点索引对象。顾名思义，这个是对顶点进行索引编号，告诉GPU该如何使用我们提供的顶点数据。

　　

　　 // indice data
    unsigned int indices[] = {  // note that we start from 0!
        0, 1, 3,   // first triangle
        1, 2, 3    // second triangle
    };
　　 unsigned int VAO, VBO, EBO;
    // gen
    glGenBuffers(1, &EBO);
    // bind VAO
    // bind VBO
    // bind EBO
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
    // set pointer
    ... render loop
    ... render loop
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteBuffers(1, &EBO);

　　简化一下流程。我们需要提供一份索引列表，对应的就是顶点数据中的顶点索引。然后绑定并赋值EBO对象，其余的操作跟之前类似，编译执行，我们就得到了一个简单的矩形。

 

　　在这里我们需要注意的是，在最后删除VAO、VBO、EBO的时候，一定不能在删除VAO对象之前先删除EBO，因为在VAO对象内部其实维护了一份EBO对象的数据，如果先删除了EBO，会导致删除出现异常。

　　以上就是利用opoengl提供的接口，绘制的简单图形。

　　对应的代码在这里。