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OpenGL基本架构知识

news 来源：原创 2024/5/15 22:25:50

OpenGL基本架构知识

环境：Qt Creator + C++

参考书籍：《计算机图形学编程（使用OpenGL和C++)》作者：V.斯科特.戈登约翰.克莱维吉（人民邮电出版社）

参考博客：https://blog.csdn.net/weixin_59876363/article/details/122570371

一、绪论

简介

OpenGL是什么
- 用于渲染2D和3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）
- 提供了多级图形管线和GLSL（高级着色语言）进行模型的像素化
- 核心库使用c编写，同时支持多种系统和语言
核心模式/可编程管线模式：
将顶点数据经过管线处理，最终生成显示的像素点。以下为渲染顺序：
- 顶点着色器：必须自己实现，依靠顶点数据和着色器指令控制顶点的渲染位置和方式
- 曲面细分着色器：可以在简单图形上生成大量网格图元（常用的是三角）
- 几何着色器：赋予程序员一次处理一个图元（多个顶点）的能力（常用的是三角）
- 光栅化：将输入的图元转化成二维图像片段，即像素绘制的片段
- 片段着色器：为光栅化的像素点指定颜色
- 测试与混合
GLSL运行在GPU上，OS不是总能捕捉运行的错误，通常需要进行GLSL运行日志的打印进行debug
GLSL代码加载进入着色器的过程
- C++获取GLSL着色器代码，可以在文件中读取，也可以硬编码在字符串中
- 创建OpenGL空着色器对象并将GLSL着色器代码加载进着色器对象（一般至少要提供顶点着色器和片段着色器的代码，其他着色器代码是可选的）
- 最后使用OpenGL命令编译链接着色器对象，并将该对象加载进硬件
QOpenGLWidget提供了三个便捷的虚函数，可以进行重载实现典型的OpenGL任务
- initializeGL：初始化设置OpenGL资源和状态
- paintGL：渲染OpenGL场景，widget需要进行实时更新的调用
- resizeGL：设置OpenGL视口和投影等。widget调整大小时调用
顶点着色器会在GPU上创建内存，通过GL_ARRAY_BUFFER缓冲类型的顶点缓冲对象进行管理，每一个VBO记录了一种状态。
- 数据：从内存加载顶点缓冲对象（Vertex Buffer Objects ，VBO）到的显存中
- 规则：通过顶点数组对象（Vertex Array Object，VAO）对顶点数据进行解释
OpenGL是一个巨大的状态机，数据输入后，绘制状态参数（材质，光照，连接方式···）决定了输出的图像。OpenGL通过改变上下文变量来改变OpenGL状态，从而告知OpenGL如何绘制图像
在paintGL之外的地方调用绘制函数，没有意义，绘制图像最终将被paintGL()覆盖。如果不想被覆盖则应该使用widget的update()函数进行安排和更新

缓冲区对象

缓冲区绑定流程

// 1.声明VBO和VAO
GLuint vao[1];// GLuint实际就是unsigned int
GLuint vbo[2];
// 2.创建缓冲区，并将返回的ID存入VAO和VBO
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(2, &VBO);// (创建ID的数目, 用来保存返回ID的数组)
// 3.将VAO和VBO绑定成缓冲区对象
glBindVertexArray(VAO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 4. 初始化缓冲区数据
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(vertices),vertices,GL_STATIC_DRAW);
// 5. 告诉GPU如何解释VBO中的属性信息
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), nullptr);
// 6. 启用0号顶点属性
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float),  (void*)(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(2);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
// 7. 使用glDrawArrays()绘制对象

着色器的绑定：每个缓冲区需要有在顶点着色器中声明的相应的顶点属性变量
```
layout(location = 0) in vec3 position
// 位置值为0的顶点属性指针指向的数据，每次抓取3个到position中
```
- layout修饰符是将顶点属性和特定缓冲区关联的方法，这里的0就是绑定的0号ID的VBO
- in关键字表示顶点属性从缓冲区接收数值
- vec3的意思是着色器每次调用会抓取三个浮点类型的值，即一个坐标（x, y, z）
- 变量名称是position
通常把顶点数据放在一个缓冲区中，并把这个缓冲区和着色器中声明的顶点属性相关联
在OpenGL中，缓冲区被包含在顶点缓冲对象（Vertex Buffer Object, VBO)中，VBO在C++/OpenGL应用程序中被声明和实例化。一个场景可能需要很多个VBO，通常我们在初始化的阶段生成并填充若干个VBO，方便后续直接使用。
使用uniform关键字在着色器中声明统一变量

GLSL

GLSL（OpenGL Shading Language）使用C语言作为基础高阶着色语言，避免了使用汇编语言或硬件规格语言的复杂性。

// 典型程序
#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;
out type out_variable_name;
uniform type uniform_name;

void main(){
    out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可以使用，但是可以声明的顶点属性数量存在上限
GLSL的容器
- 向量（Vetor）
  - vecn：n个float类型
  - bvecn：n个boolean类型
  - ivecn：n个intgers类型
  - uvecn：n个无符号整形
  - dvecn：n个double类型
- 矩阵（Matrix）

向量重组

vec2 vect = vex2(0.5, 0.7);
vec4 result = vex4(vect, 0.0, 0.0);

如果类型和名字都一致，OpenGL可以把不同程序文件变量都链接在一起


#version 330 core
// 顶点着色器定义和声明变量
layout (location = 0) in vec3 aPos;
out vec4 vertexColor;
void main() {
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0);
}


#version 330 core
// 片段着色器接受变量
out vec4 FragColor;
in vec4 vertexColor;// 接收的变量
void main() {
    FragColor = vertexColor; 
}

如果将它们封装在单独的资源文件中，使用shaderProgram.addShaderFromSourceFile()函数进行连接，则首行必须是版本号

在paintGL()以外的位置绘制openGL
```
makeCurrent();
// openGL绘制函数
doneCurrent();
update();
```
如果不使用上述函数进行包含，绘制的图像将会被paintGL( )覆盖
顶点着色器的输入来源于openGL形式化的数据，使用layout(location = 0)链接到顶点数据，可以在cpu上配置顶点属性

GPU和CPU之间的数据传输

使用glGetAttribLocation查村属性位置值
绑定GPU的属性值，告诉它向cpu解析的属性值

// 1.属性值查询的方式
shaderProgram.bind();
// 查询属性位置值,如果查询不到返回-1
Glint posLocation = shaderProgram.attributeLocation("aPos");
// 告诉显卡如何解析缓冲里的属性值
glVertexAttribPointer(posLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3*sizeof(float),(void*)0);

// 2.绑定的方式
shaderProgram.bind();
GLint posLocation = 2;
shaderProgram.bindAttributeLocation("aPos", poslocation);
glVertexAttribPointer(posLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3*sizeof(float), (void*)0);
// 开始VAO管理的第三个属性值
glENableVertexAttribArray(posLocation);

uniform是一种CPU向GPU中着色器发送数据的方式，是全局的Global，可以被任意着色器程序在任意阶段访问
- 如果声明一个uniform却没有用过，编译器会默认移除这个变量，导致最后编译出的版本中并不会包含它，这可能导致几个非常麻烦的错误
- OpenGL在其核心是一个c库，所以不支持类型的重载，在函数参数类型不同时，需要为其定义新的函数。
在Qt中可以使用QTimer的timeout信号槽，传递一个随着时间改变的值

将顶点着色器中的数据传到片段着色器中

// 顶点着色器
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos;
layout(location = 1) in vec3 aColor;
out vec3 ourColor;# 传递的值
void main(){
    gl_Position = vex4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor;
}

// 片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;

void main(){
    FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
}