华中科技大学《计算机图形学》课程
MOOC地址：计算机图形学（HUST）
计算机图形学 | 实验四：绘制一个球体
封装Shader
在正式开始介绍球模型的绘制之前，我们需要将和着色器有关的操作进行封装，使其成为一个工具类，这里不介绍具体实现，仅介绍封装的必要性和使用方法。
- 为什么要封装Shader
- 如何使用
为什么要封装Shader
封装后，在应对存在多个着色器程序的渲染流程时，可以更方便使用不同的着色器程序，同时也可以降低代码冗余。
如何使用
如下，传入参数分别为顶点着色器和片元着色器的路径，在封装了Shader类后，我们就可以通过一行代码去创建一个新的着色器对象：
Shader shader("res/shader/task3.vs", "res/shader/task3.fs");
假如我们在绘制时需要切换到某个着色器并且使用它，我们仅需要一行代码：
shader.Use();
假如我们需要向着色器中传入一种类型的值，我们也仅需要一行代码去解决它（name为着色器中的名称，value为你希望设置的值）：
SetFloat(string &name, float value);
绘制球模型
在正式绘制球模型之前，我们先来介绍一下读完下面的部分你会了解些什么。
- 球面顶点遍历
- 构造三角形图元
- 开启线框模式
- 开启面剔除
球面顶点遍历
我们要构造绘制球面的顶点数组，首先需要知道如何遍历球面的所有顶点。
在这幅图中，我们假设P是球体上的任意一点，如何计算这一点的坐标呢？我们可以通过如图所示的α角和β角和半径R来表示这个点的坐标。
如图∠α和球体半径（橙色细线）可以计算出球体上P点的Y轴坐标即R * cos∠α，通过∠α也可获得如图所示蓝线长度，即R * sin∠α，蓝线长度等于绿线长度，然后可以根据绿线长度继续计算出P点z坐标即R * sin∠α * sin∠β和P点x坐标即R* sin∠α * cos∠β。
那么当我们知道了球体上任意一个点都可以由α和β以及半径表示出来。
我们将0π的α角分为Y_SEGMENTS份，将02π的β角分成X_SEGMENTS份，则球上一个点的α和β角可以表示为π/ Y_SEGMENTS * n和2π/ X_SEGMENTS * m（0<n< Y_SEGMENTS, 0<m<X _SEGMENTS）
这样，通过遍历每一种α和β的组合，可以得到球体表面上离散点的集合。
这一部分就是生成顶点的代码实现，Y_SEGMENTS和X_SEGMENTS表示将α和β分割了多少份，y和x表示分别是第几份，以此进行遍历，xSegment * 2.0f * PI即β角，ySegment * PI即α角。
// 生成球的顶点
for (int y = 0; y <= Y_SEGMENTS; y++)
{
for (int x = 0; x <= X_SEGMENTS; x++)
{
float xSegment = (float)x / (float)X_SEGMENTS;
float ySegment = (float)y / (float)Y_SEGMENTS;
float xPos = std::cos(xSegment * 2.0f * PI) * std::sin(ySegment * PI);
float yPos = std::cos(ySegment * PI);
float zPos = std::sin(xSegment * 2.0f * PI) * std::sin(ySegment * PI);
sphereVertices.push_back(xPos);
sphereVertices.push_back(yPos);
sphereVertices.push_back(zPos);
}
}
需要注意的是，在横向分割时，n=0和n= X_SEGMENTS是位置相同的点，如果后期需要加载纹理则不能随意将之舍去，所以顶点总数实际上是(X_SEGMENTS + 1) * (Y_SEGMENTS+1)。
构造三角形图元
由于OpenGL中是以三角形为基本图元进行绘制的，所以在我们得到了球面遍历的顶点数组后，我们需要扩充顶点，构造成基本的三角形图元。
我们会将对遍历球面顶点数组的每个顶点，将其扩充为两个三角形，除去最后一行顶点和每一行最后一个点外，每一个顶点都会扩充成六个顶点，原数组一共有(X_SEGMENTS+1) * (Y_SEGMENTS+1)个顶点，扩充后有X_SEGMENTS*Y_SEGMENTS * 6个顶点，这里我们使用索引数组去构造三角形图元。
实现代码如下：
// 根据球面上每一点的坐标，去构造一个三角形顶点数组
for (int i = 0; i < Y_SEGMENTS; i++)
{
for (int j = 0; j < X_SEGMENTS; j++)
{
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
}
}
开启线框模式
为了观察我们绘制的球模型的顶点是否存在错误，由于opengl中默认的绘制方式为填充模式，所以我们需要改填充模式为线框模式，这样可以更好的检查绘制结果
如图为填充模式和线框模式的区别（左图为填充模式，右图为线框模式）。
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE); //使用线框模式绘制
开启面剔除
由于OpenGL中绘制时会同时绘制正面和背面，并且我们开启了线框模式后，并不能通过深度测试将背面遮挡住，所以我们需要开启面剔除。来将背面剔除，面剔除主要是剔除顶点绕法为顺时针的面。
如左下图，为开启面剔除后，将背面剔除的结果。
同样的，代码中我们只需要开启面剔除，并指定剔除面即可，GL_FRONT为剔除正面，GL_BACK为剔除背面。
以下为代码实现：
// 开启面剔除(只需要展示一个面，否则会有重合)
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
最后
当做好了以上的步骤之后，我们可以看到下面的结果。
开启线框模式：
完整代码
shader.h：
#pragma once
#ifndef __SHADER_H__
#define __SHADER_H__
#include <glad/glad.h>
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include "string"
class Shader
{
public:
unsigned int ID;
Shader(const GLchar* vertex_shader_path, const GLchar* fragment_shader_path);
~Shader();
void Use();
void SetBool(const std::string &name, bool value) const;
void SetInt(const std::string &name, int value) const;
void SetFloat(const std::string &name, float value) const;
void SetVec2(const std::string &name, const glm::vec2 &value) const;
void SetVec2(const std::string &name, float x, float y) const;
void SetVec3(const std::string &name, const glm::vec3 &value) const;
void SetVec3(const std::string &name, float x, float y, float z) const;
void SetVec4(const std::string &name, const glm::vec4 &value) const;
void SetVec4(const std::string &name, float x, float y, float z, float w) const;
void SetMat2(const std::string &name, const glm::mat2 &value) const;
void SetMat3(const std::string &name, const glm::mat3 &value) const;
void SetMat4(const std::string &name, const glm::mat4 &value) const;
private:
int GetShaderFromFile(const GLchar* vertex_shader_path, const GLchar* fragment_shader_path,
std::string *vertex_shader_code, std::string *fragment_shader_code);
int LinkShader(const char* vertex_shader_code, const char* fragment_shader_code);
int GetUniform(const std::string &name) const;
void CheckCompileErrors(GLuint shader, std::string type);
};
#endif // !__SHADER_H__
shader.cpp：
#include "shader.h"
#include "fstream"
#include "sstream"
#include "iostream"
Shader::Shader(const GLchar *vertex_shader_path, const GLchar *fragment_shader_path)
{
std::string vertex_shader_code;
std::string fragment_shader_code;
if (GetShaderFromFile(vertex_shader_path, fragment_shader_path, &vertex_shader_code, &fragment_shader_code))
{
return;
}
if (LinkShader(vertex_shader_code.c_str(), fragment_shader_code.c_str()))
{
return;
}
}
Shader::~Shader()
{
}
void Shader::Use()
{
glUseProgram(ID);
}
void Shader::SetBool(const std::string &name, bool value) const
{
SetInt(name, (int)value);
}
void Shader::SetInt(const std::string &name, int value) const
{
glUniform1i(GetUniform(name), value);
}
void Shader::SetFloat(const std::string &name, float value) const
{
glUniform1f(GetUniform(name), value);
}
void Shader::SetVec2(const std::string &name, float x, float y) const
{
glUniform2f(GetUniform(name), x, y);
}
void Shader::SetVec2(const std::string &name, const glm::vec2 &value) const
{
SetVec2(name, value.x, value.y);
}
void Shader::SetVec3(const std::string &name, float x, float y, float z) const
{
glUniform3f(GetUniform(name), x, y, z);
}
void Shader::SetVec3(const std::string &name, const glm::vec3 &value) const
{
SetVec3(name, value.x, value.y, value.z);
}
void Shader::SetVec4(const std::string &name, float x, float y, float z, float w) const
{
glUniform4f(GetUniform(name), x, y, z, w);
}
void Shader::SetVec4(const std::string &name, const glm::vec4 &value) const
{
SetVec4(name, value.x, value.y, value.z, value.w);
}
void Shader::SetMat2(const std::string &name, const glm::mat2 &value) const
{
glUniformMatrix2fv(GetUniform(name), 1, GL_FALSE, &value[0][0]);
}
void Shader::SetMat3(const std::string &name, const glm::mat3 &value) const
{
glUniformMatrix3fv(GetUniform(name), 1, GL_FALSE, &value[0][0]);
}
void Shader::SetMat4(const std::string &name, const glm::mat4 &value) const
{
glUniformMatrix4fv(GetUniform(name), 1, GL_FALSE, &value[0][0]);
}
int Shader::GetShaderFromFile(const GLchar *vertex_shader_path, const GLchar *fragment_shader_path, std::string *vertex_shader_code, std::string *fragment_shader_code)
{
std::ifstream vertex_shader_file;
std::ifstream fragment_shader_file;
vertex_shader_file.exceptions(std::ifstream::badbit | std::ifstream::failbit);
fragment_shader_file.exceptions(std::ifstream::badbit | std::ifstream::failbit);
try
{
vertex_shader_file.open(vertex_shader_path);
fragment_shader_file.open(fragment_shader_path);
std::stringstream vertex_shader_stream, fragment_shader_stream;
vertex_shader_stream << vertex_shader_file.rdbuf();
fragment_shader_stream << fragment_shader_file.rdbuf();
vertex_shader_file.close();
fragment_shader_file.close();
*vertex_shader_code = vertex_shader_stream.str();
*fragment_shader_code = fragment_shader_stream.str();
}
catch (std::ifstream::failure e)
{
std::cout << "Load Shader File Error!" << std::endl;
return -1;
}
return 0;
}
int Shader::LinkShader(const char *vertex_shader_code, const char *fragment_shader_code)
{
int vertex_shader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertex_shader, 1, &vertex_shader_code, NULL);
glCompileShader(vertex_shader);
CheckCompileErrors(vertex_shader, "VERTEX");
int fragment_shader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragment_shader, 1, &fragment_shader_code, NULL);
glCompileShader(fragment_shader);
CheckCompileErrors(fragment_shader, "FRAGMENT");
this->ID = glCreateProgram();
glAttachShader(ID, vertex_shader);
glAttachShader(ID, fragment_shader);
glLinkProgram(ID);
CheckCompileErrors(ID, "PROGRAM");
glDeleteShader(vertex_shader);
glDeleteShader(fragment_shader);
return 0;
}
int Shader::GetUniform(const std::string &name) const
{
int position = glGetUniformLocation(ID, name.c_str());
if (position == -1)
{
std::cout << "uniform " << name << " set failed!" << std::endl;
}
return position;
}
void Shader::CheckCompileErrors(GLuint shader, std::string type)
{
GLint success;
GLchar infoLog[512];
if (type == "PROGRAM")
{
glGetProgramiv(shader, GL_LINK_STATUS, &success);
if (!success)
{
glGetProgramInfoLog(shader, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::PROGRAM_LINKING_ERROR!\n"
<< infoLog << std::endl;
}
}
else
{
glGetShaderiv(shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success)
{
glGetShaderInfoLog(shader, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::" << type << "::COMPILATION_FAILED\n"
<< infoLog << std::endl;
}
}
}
main.cpp：
/***
* 例程 绘制球体 (MAKE后运行时可删除ALL_BUILD，也可以将Task-sphere设为默认启动工程)
* 步骤:
* 1-初始化: GLFW窗口，GLAD。
* 2-计算球体顶点：通过数学方法计算球体的每个顶点坐标
* 2-数据处理: 通过球体顶点坐标构造三角形网格，生成并绑定VAO&VBO&EBO(准备在GPU中进行处理)，设置顶点属性指针(本质上就是告诉OpenGL如何处理数据)。
* 3-着色器: 给出顶点和片段着色器，然后链接为着色器程序，渲染时使用着色器程序。
* 4-渲染: 使用画线模式画圆，开启面剔除，剔除背面，使用线框模式画球
* 5-结束： 清空缓冲，交换缓冲区检查触发事件后释放资源
*/
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include "shader.h"
#include <iostream>
#include <math.h>
#include <vector>
const unsigned int screen_width = 780;
const unsigned int screen_height = 780;
const GLfloat PI = 3.14159265358979323846f;
// 将球横纵划分成50X50的网格
const int Y_SEGMENTS = 50;
const int X_SEGMENTS = 50;
int main()
{
// 初始化GLFW
glfwInit(); // 初始化GLFW
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3); // OpenGL版本为3.3，主次版本号均设为3
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE); // 使用核心模式(无需向后兼容性)
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE); // 如果使用的是Mac OS X系统，需加上这行
glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, false); // 不可改变窗口大小
// 创建窗口(宽、高、窗口名称)
auto window = glfwCreateWindow(screen_width, screen_height, "Sphere", nullptr, nullptr);
if (window == nullptr)
{ // 如果窗口创建失败，输出Failed to Create OpenGL Context
std::cout << "Failed to Create OpenGL Context" << std::endl;
glfwTerminate();
return -1;
}
glfwMakeContextCurrent(window); // 将窗口的上下文设置为当前线程的主上下文
// 初始化GLAD，加载OpenGL函数指针地址的函数
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
return -1;
}
// 指定当前视口尺寸(前两个参数为左下角位置，后两个参数是渲染窗口宽、高)
glViewport(0, 0, screen_width, screen_height);
Shader shader("res/shader/task3.vs", "res/shader/task3.fs"); // 加载着色器
std::vector<float> sphereVertices;
std::vector<int> sphereIndices;
// 生成球的顶点
for (int y = 0; y <= Y_SEGMENTS; y++)
{
for (int x = 0; x <= X_SEGMENTS; x++)
{
float xSegment = (float)x / (float)X_SEGMENTS;
float ySegment = (float)y / (float)Y_SEGMENTS;
float xPos = std::cos(xSegment * 2.0f * PI) * std::sin(ySegment * PI);
float yPos = std::cos(ySegment * PI);
float zPos = std::sin(xSegment * 2.0f * PI) * std::sin(ySegment * PI);
sphereVertices.push_back(xPos);
sphereVertices.push_back(yPos);
sphereVertices.push_back(zPos);
}
}
// 根据球面上每一点的坐标，去构造一个三角形顶点数组
for (int i = 0; i < Y_SEGMENTS; i++)
{
for (int j = 0; j < X_SEGMENTS; j++)
{
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j);
sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1);
}
}
// 球
unsigned int VBO, VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(1, &VBO);
// 生成并绑定球体的VAO和VBO
glBindVertexArray(VAO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 将顶点数据绑定至当前默认的缓冲中
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sphereVertices.size() * sizeof(float), &sphereVertices[0], GL_STATIC_DRAW);
GLuint element_buffer_object; // EBO
glGenBuffers(1, &element_buffer_object);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, element_buffer_object);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sphereIndices.size() * sizeof(int), &sphereIndices[0], GL_STATIC_DRAW);
// 设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void *)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 解绑VAO和VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);
// 渲染循环
while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
// 清空颜色缓冲
glClearColor(0.0f, 0.34f, 0.57f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
shader.Use();
// 绘制球
// 开启面剔除(只需要展示一个面，否则会有重合)
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
glBindVertexArray(VAO);
// 使用线框模式绘制
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, X_SEGMENTS * Y_SEGMENTS * 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
// 点阵模式绘制
// glPointSize(5);
// glDrawElements(GL_POINTS, X_SEGMENTS*Y_SEGMENTS*6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
// 交换缓冲并且检查是否有触发事件(比如键盘输入、鼠标移动等）
glfwSwapBuffers(window);
glfwPollEvents();
}
// 删除VAO和VBO，EBO
glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
glDeleteBuffers(1, &VBO);
glDeleteBuffers(1, &element_buffer_object);
// 清理所有的资源并正确退出程序
glfwTerminate();
return 0;
}
8343
扫一扫
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
