自学OpenGL(六)-你好三角形

前言

在前几篇博客里面介绍OpenGL 环境搭建、OpenGL 渲染管线和着色器基础知识,在这些基础之上我们今天来做点东西,画个三角形。

顶点输入

由于我们希望渲染一个三角形,我们一共要指定三个顶点,每个顶点都有一个3D位置。我们会将它们以标准化设备坐标的形式(OpenGL的可见区域)定义为一个float数组。

float vertices[] = {
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.0f,  0.5f, 0.0f
};

定义这样的顶点数据以后,我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的第一个处理阶段:顶点着色器。它会在GPU上创建内存用于储存我们的顶点数据,还要配置OpenGL如何解释这些内存,并且指定其如何发送给显卡。顶点着色器接着会处理我们在内存中指定数量的顶点。

我们通过顶点缓冲对象管理这个内存,它会在GPU内存(通常被称为显存)中储存大量顶点。使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上,而不是每个顶点发送一次。从CPU把数据发送到显卡相对较慢,所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后,顶点着色器几乎能立即访问顶点,这是个非常快的过程。

顶点缓冲对象是我们在OpenGL教程中第一个出现的OpenGL对象。就像OpenGL中的其它对象一样,这个缓冲有一个独一无二的ID,所以我们可以使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO对象:

unsigned int VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);

OpenGL有很多缓冲对象类型,顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER。OpenGL允许我们同时绑定多个缓冲,只要它们是不同的缓冲类型。我们可以使用glBindBuffer函数把新创建的缓冲绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上:

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);  

从这一刻起,我们使用的任何缓冲调用都会用来配置当前绑定的缓冲(VBO)。然后我们可以调用glBufferData函数,它会把之前定义的顶点数据复制到缓冲的内存中:

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

glBufferData是一个专门用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数。它的第一个参数是目标缓冲的类型:顶点缓冲对象当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上。第二个参数指定传输数据的大小(以字节为单位);用一个简单的sizeof计算出顶点数据大小就行。第三个参数是我们希望发送的实际数据。

第四个参数指定了我们希望显卡如何管理给定的数据。它有三种形式:

  • 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。

现在我们已经把顶点数据储存在显卡的内存中,用VBO这个顶点缓冲对象管理。下面我们会创建一个顶点和片段着色器来真正处理这些数据。

顶点着色器

顶点着色器是几个可编程着色器中的一个。如果我们打算做渲染的话,现代OpenGL需要我们至少设置一个顶点和一个片段着色器。我们会简要介绍一下着色器以及配置两个非常简单的着色器来绘制我们第一个三角形。下一节中我们会更详细的讨论着色器。

我们需要做的第一件事是用着色器语言GLSL编写顶点着色器,然后编译这个着色器,这样我们就可以在程序中使用它了。下面你会看到一个非常基础的GLSL顶点着色器的源代码:

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
void main(){
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
}

可以看到,GLSL看起来很像C语言。每个着色器都起始于一个版本声明。

下一步,使用in关键字,在顶点着色器中声明所有的输入顶点属性(Input Vertex Attribute)。现在我们只关心位置(Position)数据,所以我们只需要一个顶点属性。GLSL有一个向量数据类型,它包含1到4个float分量,包含的数量可以从它的后缀数字看出来。由于每个顶点都有一个3D坐标,我们就创建一个vec3输入变量aPos。我们同样也通过layout (location = 0)设定了输入变量的位置值(Location)你后面会看到为什么我们会需要这个位置值。

为了设置顶点着色器的输出,我们必须把位置数据赋值给预定义的gl_Position变量,它在幕后是vec4类型的。在main函数的最后,我们将gl_Position设置的值会成为该顶点着色器的输出。由于我们的输入是一个3分量的向量,我们必须把它转换为4分量的。我们可以把vec3的数据作为vec4构造器的参数,同时把w分量设置为1.0f(我们会在后面解释为什么)来完成这一任务。

当前这个顶点着色器可能是我们能想到的最简单的顶点着色器了,因为我们对输入数据什么都没有处理就把它传到着色器的输出了。在真实的程序里输入数据通常都不是标准化设备坐标,所以我们首先必须先把它们转换至OpenGL的可视区域内。

编译着色器

现在,我们暂时将顶点着色器的源代码硬编码在代码文件顶部的C风格字符串中:

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

为了能够让OpenGL使用它,我们必须在运行时动态编译它的源代码。

我们首先要做的是创建一个着色器对象,注意还是用ID来引用的。所以我们储存这个顶点着色器为unsigned int,然后用glCreateShader创建这个着色器:

unsigned int vertexShader;
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
glCompileShader(vertexShader);

  • glCreateShader:根据给定参数创建特定类型着色器,我们传递 GL_VERTEX_SHADER 表示创建顶点着色器
  • glShaderSource:设置着色器源,把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量,这里只有一个。第三个参数是顶点着色器真正的源码,第四个参数我们先设置为NULL。
  • glCompileShader:编译着色器

如果编译的时候没有检测到任何错误,顶点着色器就被编译成功了。

编译错误捕获:

int  success;
char infoLog[512];
// 检查是否编译成功
glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if(!success) {
// 获取错误消息
    glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
    std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}

片段着色器

片段着色器是第二个也是最后一个我们打算创建的用于渲染三角形的着色器。片段着色器所做的是计算像素最后的颜色输出。为了让事情更简单,我们的片段着色器将会一直输出橘黄色。

#version 330 core
out vec4 FragColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
} 

片段着色器只需要一个输出变量,这个变量是一个4分量向量,它表示的是最终的输出颜色,我们应该自己将其计算出来。声明输出变量可以使用out关键字,这里我们命名为FragColor。下面,我们将一个Alpha值为1.0的橘黄色的vec4赋值给颜色输出。
编译片段着色器的过程与顶点着色器类似,只不过我们使用GL_FRAGMENT_SHADER常量作为着色器类型:

unsigned int fragmentShader;
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
glCompileShader(fragmentShader);

两个着色器现在都编译了,剩下的事情是把两个着色器对象链接到一个用来渲染的着色器程序(Shader Program)中。

着色器程序

着色器程序对象是多个着色器合并之后并最终链接完成的版本。如果要使用刚才编译的着色器我们必须把它们链接为一个着色器程序对象,然后在渲染对象的时候激活这个着色器程序。已激活着色器程序的着色器将在我们发送渲染调用的时候被使用。

当链接着色器至一个程序的时候,它会把每个着色器的输出链接到下个着色器的输入。当输出和输入不匹配的时候,你会得到一个连接错误。

创建一个着色器程序对象:

unsigned int shaderProgram;
shaderProgram = glCreateProgram();

glCreateProgram函数创建一个程序,并返回新创建程序对象的ID引用。现在我们需要把之前编译的着色器附加到程序对象上,然后用glLinkProgram链接它们:

glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
glLinkProgram(shaderProgram);

代码应该很清楚,我们把着色器附加到了程序上,然后用glLinkProgram链接。
得到的结果就是一个程序对象,我们可以调用glUseProgram函数,用刚创建的程序对象作为它的参数,以激活这个程序对象:

glUseProgram(shaderProgram);
// 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,我们不再需要它们了:
glDeleteShader(vertexShader);
glDeleteShader(fragmentShader);

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了。

现在,我们已经把输入顶点数据发送给了GPU,并指示了GPU如何在顶点和片段着色器中处理它。就快要完成了,但还没结束,OpenGL还不知道它该如何解释内存中的顶点数据,以及它该如何将顶点数据链接到顶点着色器的属性上。我们需要告诉OpenGL怎么做。

链接顶点属性

顶点着色器允许我们指定任何以顶点属性为形式的输入。这使其具有很强的灵活性的同时,它还的确意味着我们必须手动指定输入数据的哪一个部分对应顶点着色器的哪一个顶点属性。所以,我们必须在渲染前指定OpenGL该如何解释顶点数据。

我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子:


FileSharing-3.action.png
  • 位置数据被储存为32位(4字节)浮点值。
  • 每个位置包含3个这样的值。
  • 在这3个值之间没有空隙(或其他值)。这几个值在数组中紧密排列(Tightly Packed)。
  • 数据中第一个值在缓冲开始的位置。

有了这些信息我们就可以使用glVertexAttribPointer函数告诉OpenGL该如何解析顶点数据了:
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

glVertexAttribPointer函数的参数非常多,所以我会逐一介绍它们:

  • 第一个参数指定我们要配置的顶点属性
  • 第二个参数指定顶点属性的大小
  • 第三个参数指定数据的类型
  • 第四个参数定义我们是否希望数据被标准化
  • 第五个参数叫做步长
  • 最后一个参数的类型是void*,所以需要我们进行这个奇怪的强制类型转换,它表示位置数据在缓冲中起始位置的偏移量(Offset)。由于位置数据在数组的开头,所以这里是0。我们会在后面详细解释这个参数。

现在我们已经定义了OpenGL该如何解释顶点数据,我们现在应该使用glEnableVertexAttribArray,以顶点属性位置值作为参数,启用顶点属性;顶点属性默认是禁用的。自此,所有东西都已经设置好了:我们使用一个顶点缓冲对象将顶点数据初始化至缓冲中,建立了一个顶点和一个片段着色器,并告诉了OpenGL如何把顶点数据链接到顶点着色器的顶点属性上。在OpenGL中绘制一个物体,代码会像是这样:

// 0\. 复制顶点数组到缓冲中供OpenGL使用
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 1\. 设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 2\. 当我们渲染一个物体时要使用着色器程序
glUseProgram(shaderProgram);
// 3\. 绘制物体
someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();

每当我们绘制一个物体的时候都必须重复这一过程。这看起来可能不多,但是如果有超过5个顶点属性,上百个不同物体呢。绑定正确的缓冲对象,为每个物体配置所有顶点属性很快就变成一件麻烦事。有没有一些方法可以使我们把所有这些状态配置储存在一个对象中,并且可以通过绑定这个对象来恢复状态呢?

顶点数组对象

顶点数组对象可以像顶点缓冲对象那样被绑定,任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是,当配置顶点属性指针时,你只需要将那些调用执行一次,之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单,只需要绑定不同的VAO就行了。刚刚设置的所有状态都将存储在VAO中。
一个顶点数组对象会储存以下这些内容:

  • glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用。
  • 通过glVertexAttribPointer设置的顶点属性配置。
  • 通过glVertexAttribPointer调用与顶点属性关联的顶点缓冲对象。


    FileSharing-2.action.png

创建一个 VAO

unsigned int VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);

要想使用VAO,要做的只是使用glBindVertexArray绑定VAO。从绑定之后起,我们应该绑定和配置对应的VBO和属性指针,之后解绑VAO供之后使用。当我们打算绘制一个物体的时候,我们只要在绘制物体前简单地把VAO绑定到希望使用的设定上就行了。这段代码应该看起来像这样:

// ..:: 初始化代码(只运行一次 (除非你的物体频繁改变)) :: ..
// 1\. 绑定VAO
glBindVertexArray(VAO);
// 2\. 把顶点数组复制到缓冲中供OpenGL使用
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 3\. 设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

[...]

// ..:: 绘制代码(渲染循环中) :: ..
// 4\. 绘制物体
glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(...);

就这么多了!前面做的一切都是等待这一刻,一个储存了我们顶点属性配置和应使用的VBO的顶点数组对象。一般当你打算绘制多个物体时,你首先要生成/配置所有的VAO(和必须的VBO及属性指针),然后储存它们供后面使用。当我们打算绘制物体的时候就拿出相应的VAO,绑定它,绘制完物体后,再解绑VAO。

我们一直期待的三角形

要想绘制我们想要的物体,OpenGL给我们提供了glDrawArrays函数,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。

glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

glDrawArrays函数第一个参数是我们打算绘制的OpenGL图元的类型。由于我们在一开始时说过,我们希望绘制的是一个三角形,这里传递GL_TRIANGLES给它。第二个参数指定了顶点数组的起始索引,我们这里填0。最后一个参数指定我们打算绘制多少个顶点,这里是3(我们只从我们的数据中渲染一个三角形,它只有3个顶点长)。

现在尝试编译代码,如果弹出了任何错误,回头检查你的代码。如果你编译通过了,你应该看到下面的结果:


FileSharing-1.action.png

使用glDrawArrays,尝试绘制两个彼此相连的三角形

跟着步骤走😃

  1. 初始化glfw,初始化窗口,初始化 glew,前两篇博客已经讲过了,这里不再重复。
  2. 创建着色器程序
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);

    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    // 创建片段着色器
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);

    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    unsigned int shader = glCreateProgram();
    glAttachShader(shader, vertexShader);
    glAttachShader(shader, fragmentShader);
    glLinkProgram(shader);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);

  1. 创建顶点数组:
    // 顶点数组对象
    float vertices[] = {
        // 第一个三角形
        0.5f, 0.5f, 0.0f,
        0.5f, -0.5f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
        // 第二个三角形
        -0.5f, 0.5f, 0.0f,
        0.5f,  0.5f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
    };

  1. 创建VAO、VBO,使得 VAO 包含VBO
  unsigned int VBO, VAO;
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    glBindVertexArray(VAO);
    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);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindVertexArray(0);

  1. 执行渲染循环
    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {

        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        glUseProgram(shader);
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
        processInput(window);
    }

  1. 处理退出,释放响应资源:
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shader);
    glfwTerminate();

创建相同的两个三角形,但对它们的数据使用不同的VAO和VBO

同样跟着步骤走,都是一个固定的几个套路,多写两遍就熟悉了

  1. 初始化glfw,初始化窗口,初始化 glew,前两篇博客已经讲过了,这里不再重复。
  2. 创建着色器程序,跟上面的一样,这里就不再赘述。
  3. 初始化顶点数组,因为是创建两个三角形,使用不同的VAO,VBO,所以这里需要定义两个数组:
  float vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // left
         0.5f, -0.5f, 0.0f, // right
         0.5f,  0.5f, 0.0f,  // top
    };

    float vertices1[] = {
        0.5f,  0.5f, 0.0f,
       -0.5f,  0.5f, 0.0f,
       -0.5f, -0.5f, 0.0f
    };

  1. 创建VAO、VBO,使得 VAO 包含VBO
    unsigned int VBO, VAO;
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    glBindVertexArray(VAO);

    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);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindVertexArray(0);

    unsigned int VBO1, VAO1;
    glGenVertexArrays(1, &VAO1);
    glGenBuffers(1, &VBO1);
    glBindVertexArray(VAO1);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO1);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices1), vertices1, GL_STATIC_DRAW);

    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindVertexArray(0);

  1. 渲染,按顺序绑定VAO,然后执行 glDrawArrays
      processInput(window);

        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        glUseProgram(shaderProgram);
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        glBindVertexArray(VAO1);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();

  1. 处理退出,释放相应资源
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shaderProgram);

    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shaderProgram);

    glfwTerminate();

运行结果如下:


FileSharing.action.png

如果你运行出来有问题或者出错了,请仔细检查一下代码,或者在本文下方下载笔者写的demo。

源代码在这里:https://github.com/muxueChen/LearnOpenGL