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。
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:
1 | #version 150 in vec3 vert; void main() { |
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:
1 | #version 150 out vec4 finalColor; void main() { |
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:
1 | glfwSetErrorCallback(OnError); |
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。
1 | glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE); |
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:
1 | 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。
1 | glewExperimental = GL_TRUE; //stops glew crashing on OSX :-/ |
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:
1 | if(!GLEW_VERSION_3_2) |
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。
1 | std::vector<tdogl::Shader> 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:
1 | glGenVertexArrays(1, &gVAO); |
然后我们创建和绑定新的VBO:
1 | glGenBuffers(1, &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
。
1 | GLfloat vertexData[] = { |
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。
1 | 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。
1 | 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vert
shader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。
1 | glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 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:
1 | glClearColor(0, 0, 0, 1); // black |
然后告诉OpenGL我们要开始使用VAO和shader了:
1 | glUseProgram(gProgram->object()); |
最后,我们绘制出三角形:
1 | 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:
1 | glBindVertexArray(0); |
最后一件事,在我们看到三角形之前需要切换帧缓冲:
1 | 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。
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。
- void glGen*(GLsizei n, GLuint *objects);
2、负责销毁一个对象
- void glDelete*(GLsizei n, const GLuint *objects);
3、将对象绑定到context上。
- void glBind*(GLenum target, GLuint object);
- 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 = }; 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();
}