【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​);

负责生成一个对象的name。而name就是这个对象的引用。

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。

在开始第一个程序之前，我们还要了解一些图形名词。

• 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

我们的第一个程序（不完整）的运行结果如下：

代码如下（提示：这里可以粗略地看下中文注释，后面会更详细讲述的）：

///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// 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();
}

Vertex Shader如下：

#version 430 core
layout(location = 0) in vec4 vPosition;
void
main()
 {
     gl_Position = vPosition;
}

Fragment Shader如下：

#version 430 core
out vec4 fColor;
void
main()
{
fColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
}

OpenGL的语法

这里插播一段语法解释。从上面可以看出，OpenGL里面的函数长得都有一个特点，都是由“gl”开头的，然后紧跟一个或多个大写字母（例如，glBindVertexArray()）。而且可以告诉，所有的OpenGL函数都长这样。在上面的程序里面还有一些函数是“glut”开头的，这是来自OpenGL实用工具（OpenGL Utility Toolkit）——GLUT。这是一个非常流行的跨平台工具，可以用于打开窗口、管理输入等操作。龙书用的GLUT版本是Freeglut，是原始GLUT的一个变种。GLUT已经不再更新了。。。Sad。。。同样，还有一个函数，glewInit()，它来自GLEW库。GLUT和GLEW就是龙书所用的两个库了。

和OpenGL函数的命名规范类似，在display()函数里见到的GL_COLOR_BUFFER_BIT这样的常量，也是OpenGL定义的。它们由GL_开头，实用下划线来分割字符。它们的定义就是通过OpenGL头文件（glcorearb.h和glewt.h）里面的#define指令定义的。

OpenGL为了跨平台还自己定义了一系列数据类型，如GLfloat。而且，因为OpenGL是一个“C”语言库，它不使用函数重载来解决不同类型的数据问题，而是使用函数命名规范来组织不同的函数。例如，后面我们会碰到一个函数叫glUniform*()，这个函数有很多形式，例如，glUniform2f()和glUniform3fv。这些函数名字后面的后缀——2f和3fv，提供了函数的参数信息。例如，2f中的2表示有两个数据将会传递给函数，f表示这两个参数的类型是GLfloat。而3fv中最后的v，则是vector的简写，表明这三个GLfloat将以vector的形式传递给函数，而不是三个独立的参数。

一些例子中没有使用OpenGL定义的数据类型，直接使用了float这样的变量。这可能会造成在不同平台上不兼容的问题。

在三维的世界里，所有的故事都是从顶点开始的。虽然题目是“详解第一个程序”，但目的是为了让大家理解最基础的顶点是怎么一步步传递到GLSL中的。

重点内容开始！

传递顶点数据：你会怎么做

那么，现在的问题是，如果是你，你会怎么把顶点和它相关的信息，例如纹理坐标、法线等，传递给GLSL呢？一般人都会想到多维数组。我们下面把它称为顶点流（Vertex Stream）。（什么？！你不是这么想的？！没关系，OpenGL是这么想的就好。。。）

我们负责创建这个顶点流，然后只需要告诉OpenGL怎样解读它就可以了。

为了渲染一个对象，我们必须使用一个shader program。而这个program会定义一系列顶点属性，例如上述Vertex Shader中的vPosition一行。这些属性决定了我们需要传递哪些顶点数据。每一个属性对应了一个数组，并且这些数据的维度都必须相等，即是一一对应的关系。

比如我们想要渲染3个顶点，我们会定义下面的数据：

{ {1, 1, 1}, {0, 0, 0}, {0, 0, 1} }

这些顶点的顺序是非常重要的，OpenGL将会根据这些顺序渲染网格。我们可以直接使用上述这种数据来直接渲染，也可以使用索引（indices）来指定顺序，这样可以重复使用同一个顶点。

例如，我们使用下面的索引列表：

{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} }

现在，我们还想传递一个新的顶点属性，即每个顶点的纹理坐标，那么新的纹理数组可能长这样：

 { {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。

那么，合并后的顶点属性列表就是：

[{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

OpenGL使用了VAO来实现上述管理顶点数据的数据作用，以及VBO来存放真正的顶点属性数据。

VAO（Vertex Array Object）

我们这里遇到了第一种OpenGL对象——VAO（Vertex Array Object）。前面说到OpenGL对象是状态的集合，那么VAO就是所有顶点数据的状态集合。它存储了顶点数据的格式以及顶点数据数据所需的缓存对象的引用。前面提过，OpenGL对象都有三个非常重要的函数，而VAO对应的就是glGenVertexArrays​、glDeleteVertexArrays和glBindVertexArray​。

VAO负责管理顶点属性，而这些顶点属性从0到GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS​ - 1被编号。这些属性在Vertex Shader里的表现就是类似下面的语句：

layout(location = 0) in vec4 vPosition;

上述顶点属性vPosition被编号为0。

每个属性可以被enable或者disable，被disable的属性是不会传递给shader的，即便在shader里定义了这些属性，它们读出的值也会是一个常量，而非真正的数据。一个新建的VAO的所有属性访问都是disable的。而开启一个属性是通过下面的函数：

void glEnableVertexAttribArray​(GLuint index​);

与其对应的是glDisableVertexAttribArray​ 函数。

而为了使用上述函数来改变VAO的状态，我们首先需要把VAO绑定到当前的context上。

VBO（Vertex Buffer Object）

VBO是一种Buffer Object，即它也是一个OpenGl对象。VBO是顶点数组数据真正所在的地方。

为了指定一个属性数据的格式和来源，我们需要告诉OpenGL，编号为0的属性使用哪个VBO，编号为1的属性使用哪个VBO等等。为了实现它，我们可以这么做。

首先，我们要知道，任何VBO都需要先绑定到GL_ARRAY_BUFFER​才可以对它进行操作。绑定后，我们可以调用下面的函数之一：

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！

这个过程就像一个中介人的作用，而中介人就是GL_ARRAY_BUFFER​。我们可以这么想，glBindBuffer​ 设置了一个全局变量，然后glVertexAttribPointer读取了这个全局变量并把它存储在VAO中，这个全局变量就是GL_ARRAY_BUFFER。当调用完glVertexAttribPointer后，顶点属性已经知道了数据来源就是buf1，它们之间就会直接联系，而不需要在通过GL_ARRAY_BUFFER。

写在最后

写OpenGL的博客心好累。。。。。。

虽然说了这么多，大家可能也没怎么看懂，但重点其实就是“状态机”。大家记住这一点也算没白费。

参考资料：

• OpenGL Programming Guide 8th Edition 
• OpenGL Wiki