第一章 opengl概念

opengl概念

一般被认为是一个API，API指的是应用程序编程接口。包含一系列可以操作图形，图像的函数。但是opengl本身不是一个API，是由一个组织制定并维护的规范。
opengl严格规范了每个函数如何执行，以及他们的输出值。

核心模式和立即渲染模式

早起使用立即渲染模式，也就是固定渲染模式。而OpenGL的大多数功能都被库隐藏起来，开发者很少有控制OpenGL如何进行计算的自由。但迫切希望能有更多的灵活性。所以规范越灵活，则开发者对绘图细节有更多的掌控。
立即渲染模式 容易使用和立即，但效率太低。从OpenGL3.2后，规范文档废弃立即渲染模式，采用核心模式。

当使用OpenGL的核心模式时，OpenGL强制用户使用现代的函数。如果试图使用一个已废弃的函数时，OpenGL会抛出一个错误并终止绘图。现代函数的优势是更高的灵活性和效率，然而也更难于学习。立即渲染模式从OpenGL实际运作中抽象掉了很多细节，因此它在易于学习的同时，也很难让人去把握OpenGL具体是如何运作的。现代函数要求使用者真正理解OpenGL和图形编程，它有一些难度，然而提供了更多的灵活性，更高的效率，更重要的是可以更深入的理解图形编程。

所有OpenGL的更高的版本都是在3.3的基础上，引入了额外的功能，并没有改动核心架构。新版本只是引入了一些更有效率或更有用的方式去完成同样的功能。因此，所有的概念和技术在现代OpenGL版本里都保持一致。

特性–扩展

opengl一大特性是对扩展的支持，当显卡公司提供新特性或渲染上的大优化，通常会以扩展的方式在驱动中实现。如果一个程序在支持这个扩展的显卡上运行，开发者可以使用这个扩展提供的一些更先进更有效的图形功能。通过这种方式，开发者不必等待一个新的OpenGL规范面世，就可以使用这些新的渲染特性了。

状态机

OpenGL自身是一个巨大的状态机(State Machine)：一系列的变量描述OpenGL此刻应当如何运行。OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。
通常使用如下途径去更改OpenGL状态：
设置选项，操作缓冲。
最后，使用当前OpenGL上下文来渲染。
举例：
要画线段而不是三角形的时候，可以通过改变一些上下文变量来改变OpenGL状态，从而告诉OpenGL如何去绘图。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段，下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

当使用OpenGL的时候，会遇到一些状态设置函数，这类函数将会改变上下文。以及状态使用函数，这类函数会根据当前OpenGL的状态执行一些操作。

对象

OpenGL库是用C语言写的，同时也支持多种语言的派生，但其内核仍是一个C库。由于C的一些语言结构不易被翻译到其它的高级语言，因此OpenGL开发的时候引入了一些抽象层。“对象”就是其中一个。

在OpenGL中一个对象是指一些选项的集合，它代表OpenGL状态的一个子集。
举例：
可以用一个对象来代表绘图窗口的设置，之后就可以设置它的大小、支持的颜色位数等。可以把对象看做一个C风格的结构体。

对象的应用

当我们使用一个对象时，如下：

// OpenGL的状态
struct OpenGL_Context {
    ...
    object* object_Window_Target;
    ...     
};

// 创建对象
unsigned int objectId = 0;
glGenObject(1, &objectId);
// 绑定对象至上下文
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, objectId);
// 设置当前绑定到 GL_WINDOW_TARGET 的对象的一些选项
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_WIDTH, 800);
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_HEIGHT, 600);
// 将上下文对象设回默认
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, 0);

首先创建一个对象，然后用一个id保存它的引用（实际数据被储存在后台）。然后我们将对象绑定至上下文的目标位置（例子中窗口对象目标的位置被定义成GL_WINDOW_TARGET）。接下来我们设置窗口的选项。最后我们将目标位置的对象id设回0，解绑这个对象。设置的选项将被保存在objectId所引用的对象中，一旦我们重新绑定这个对象到GL_WINDOW_TARGET位置，这些选项就会重新生效。

使用对象的好处：
使用对象的一个好处是在程序中，我们不止可以定义一个对象，并设置它们的选项，每个对象都可以是不同的设置。在我们执行一个使用OpenGL状态的操作的时候，只需要绑定含有需要的设置的对象即可。
例如有一些作为3D模型数据（一栋房子或一个人物）的容器对象，想绘制其中任何一个模型的时候，只需绑定一个包含对应模型数据的对象就可以了（当然，我们需要先创建并设置对象的选项）。拥有数个这样的对象允许我们指定多个模型，在想画其中任何一个的时候，直接将对应的对象绑定上去，便不需要再重复设置选项了。

创建窗口

画出出色的效果之前，首先要做的就是创建一个OpenGL上下文(Context)和一个用于显示的窗口。
OpenGL有意将这些操作抽象(Abstract)出去。这意味着我们不得不自己处理创建窗口，定义OpenGL上下文以及处理用户输入。有一些库已经提供了我们所需的功能，提供给我们一个窗口和一个OpenGL上下文用来渲染
流行的几个库有GLUT，SDL，SFML和GLFW

GLFW

是一个专门针对OpenGL的C语言库，它提供了一些渲染物体所需的最低限度的接口。它允许用户创建OpenGL上下文、定义窗口参数以及处理用户输入。

GLAD

OpenGL只是一个标准/规范，具体的实现是由驱动开发商针对特定显卡实现的。由于OpenGL驱动版本众多，它大多数函数的位置都无法在编译时确定下来，需要在运行时查询。所以任务就落在了开发者身上，开发者需要在运行时获取函数地址并将其保存在一个函数指针中供以后使用。
例如函数调用方法如下：

// 定义函数原型
typedef void (*GL_GENBUFFERS) (GLsizei, GLuint*);
// 找到正确的函数并赋值给函数指针
GL_GENBUFFERS glGenBuffers  = (GL_GENBUFFERS)wglGetProcAddress("glGenBuffers");
// 现在函数可以被正常调用了
GLuint buffer;
glGenBuffers(1, &buffer);

有些库能简化此过程，其中GLAD是目前最新，也是最流行的库。GLAD是一个开源的库，它能解决我们上面提到的那个繁琐的问题。

创建窗口

确认是在包含GLFW的头文件之前包含了GLAD的头文件。GLAD的头文件包含了正确的OpenGL头文件（例如GL/gl.h），所以需要在其它依赖于OpenGL的头文件之前包含GLAD。

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

创建main函数，在这个函数中我们将会实例化GLFW窗口：

int main()
{
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
    //glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);

    return 0;
}

解释如下：

1. 在main函数中调用glfwInit函数来初始化GLFW
2. 使用glfwWindowHint函数来配置GLFW。glfwWindowHint函数的第一个参数代表选项的名称，可以从很多以GLFW_开头的枚举值中选择；第二个参数接受一个整型，用来设置这个选项的值。该函数的所有的选项以及对应的值都可以在这篇文档中找到（https://www.glfw.org/docs/latest/window.html#window_hints）。

接下来我们创建一个窗口对象，这个窗口对象存放了所有和窗口相关的数据，而且会被GLFW的其他函数频繁地用到。

GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
if (window == NULL)
{
    std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
    glfwTerminate();
    return -1;
}
glfwMakeContextCurrent(window);

glfwCreateWindow函数需要窗口的宽和高作为它的前两个参数。第三个参数表示这个窗口的名称（标题），这里我们使用"LearnOpenGL"。最后两个参数我们暂时忽略。这个函数将会返回一个GLFWwindow对象，我们会在其它的GLFW操作中使用到。创建完窗口我们就可以通知GLFW将我们窗口的上下文设置为当前线程的主上下文了。

GLAD是用来管理OpenGL的函数指针的，所以在调用任何OpenGL的函数之前我们需要初始化GLAD。给GLAD传入了用来加载系统相关的OpenGL函数指针地址的函数。GLFW给我们的是glfwGetProcAddress，它根据我们编译的系统定义了正确的函数

if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
    std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
    return -1;
}

开始渲染前，需要告诉OpenGL渲染窗口的尺寸，这个叫视口，OpenGL根据窗口大小显示数据和坐标。
可以通过调用glViewport函数设置窗口的维度：

glViewport(0, 0, 800, 600);

前两个参数控制窗口左下角的位置，第三个和第四个参数控制渲染窗口的宽度和高度（像素）

也可以将视口的维度设置为比GLFW的维度小，这样子之后所有的OpenGL渲染将会在一个更小的窗口中显示，这样子的话我们也可以将一些其它元素显示在OpenGL视口之外。
注意：
OpenGL幕后使用glViewport中定义的位置和宽高进行2D坐标的转换，将OpenGL中的位置坐标转换为你的屏幕坐标。处理过的OpenGL坐标范围只为-1到1，因此我们事实上将(-1到1)范围内的坐标映射到(0, 800)和(0, 600)。

当用户改变窗口的大小的时候，视口也应该被调整。我们可以对窗口注册一个回调函数(Callback Function)，它会在每次窗口大小被调整的时候被调用。这个回调函数的原型如下：

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);

帧缓冲大小函数需要一个GLFWwindow作为它的第一个参数，以及两个整数表示窗口的新维度。每当窗口改变大小，GLFW会调用这个函数并填充相应的参数供你处理。具体如下：

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
    glViewport(0, 0, width, height);
}

我们还需要注册这个函数，告诉GLFW我们希望每当窗口调整大小的时候调用这个函数：

glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

当窗口被第一次显示的时候framebuffer_size_callback函数也会被调用。对于视网膜(Retina)显示屏，width和height都会明显比原输入值更高一点。

我们还可以将我们的函数注册到其它很多的回调函数中。比如说，我们可以创建一个回调函数来处理手柄输入变化，处理错误消息等。我们会在创建窗口之后，渲染循环初始化之前注册这些回调函数。

需要准备引擎：
希望程序在我们主动关闭它之前不断绘制图像并能够接受用户输入。因此，我们需要在程序中添加一个while循环，我们可以把它称之为渲染循环(Render Loop)，它能在我们让GLFW退出前一直保持运行。下面几行的代码就实现了一个简单的渲染循环：

while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();    
}

glfwWindowShouldClose函数在我们每次循环的开始前检查一次GLFW是否被要求退出，如果是的话该函数返回true然后渲染循环便结束了，之后为我们就可以关闭应用程序了。

glfwSwapBuffers函数会交换颜色缓冲（它是一个储存着GLFW窗口每一个像素颜色值的大缓冲），它在这一迭代中被用来绘制，并且将会作为输出显示在屏幕上。

glfwPollEvents函数检查有没有触发什么事件（比如键盘输入、鼠标移动等）、更新窗口状态，并调用对应的回调函数（可以通过回调方法手动设置）。

注意：
应用程序使用单缓冲绘图时可能会存在图像闪烁的问题。 这是因为生成的图像不是一下子被绘制出来的，而是按照从左到右，由上而下逐像素地绘制而成的。最终图像不是在瞬间显示给用户，而是通过一步一步生成的，这会导致渲染的结果很不真实。为了规避这些问题，我们应用双缓冲渲染窗口应用程序。前缓冲保存着最终输出的图像，它会在屏幕上显示；而所有的的渲染指令都会在后缓冲上绘制。当所有的渲染指令执行完毕后，我们交换(Swap)前缓冲和后缓冲，这样图像就立即呈显出来，之前提到的不真实感就消除了。

最后：当渲染循环结束后我们需要正确释放/删除之前的分配的所有资源。我们可以在main函数的最后调用glfwTerminate函数来完成。

glfwTerminate();
return 0;

汇总如下：

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

#include <iostream>

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void processInput(GLFWwindow *window);

// settings
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

int main()
{
    // glfw: initialize and configure
    // ------------------------------
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

#ifdef __APPLE__
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif

    // glfw window creation
    // --------------------
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
    if (window == NULL)
    {
        std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }
    glfwMakeContextCurrent(window);
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

    // glad: load all OpenGL function pointers
    // ---------------------------------------
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return -1;
    }    

    // render loop
    // -----------
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        // input
        // -----
        processInput(window);

        // glfw: swap buffers and poll IO events (keys pressed/released, mouse moved etc.)
        // -------------------------------------------------------------------------------
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    // glfw: terminate, clearing all previously allocated GLFW resources.
    // ------------------------------------------------------------------
    glfwTerminate();
    return 0;
}

// process all input: query GLFW whether relevant keys are pressed/released this frame and react accordingly
// ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
void processInput(GLFWwindow *window)
{
    if(glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}

// glfw: whenever the window size changed (by OS or user resize) this callback function executes
// ---------------------------------------------------------------------------------------------
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
    // make sure the viewport matches the new window dimensions; note that width and 
    // height will be significantly larger than specified on retina displays.
    glViewport(0, 0, width, height);
}

processInput：响应键盘输入事件
glfwGetKey：用来判断一个键是否按下。第一个参数是GLFW窗口句柄，第二个参数是一个GLFW常量，代表一个键。
GLFW_KEY_ESCAPE表示Esc键。如果Esc键按下了，glfwGetKey将返回GLFW_PRESS（值为1），否则返回GLFW_RELEASE（值为0）。
glfwMakeContextCurrent：创建完毕之后，需要让当前窗口的环境在当前线程上成为当前环境，就是接下来的画图都会画在我们刚刚创建的窗口上
glfwSetFramebufferSizeCallback：我们希望每当窗口调整大小的时候调用这个函数
gladLoadGLLoader：glad寻找opengl的函数地址，调用opengl的函数前需要初始化glad

输入：在GLFW实现输入控制，可以通过输入函数完成。使用GLFW的glfwGetKey函数，需要一个窗口和一个按键作为输入。返回这个按键是否正在被按下

void processInput(GLFWwindow *window)
{
    if(glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}

检查用户是否按下了返回键(Esc)（如果没有按下，glfwGetKey将会返回GLFW_RELEASE。如果用户的确按下了返回键，我们将通过glfwSetwindowShouldClose使用把WindowShouldClose属性设置为 true的方法关闭GLFW。下一次while循环的条件检测将会失败，程序将会关闭。
需要在渲染循环的每一个迭代中调用上述函数processInput：

while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
    processInput(window);

    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
}

上述代码方式来检测特定的键是否被按下，并在每一帧做出处理。

渲染：所有的渲染(Rendering)操作放到渲染循环中，因为我们想让这些渲染指令在每次渲染循环迭代的时候都能被执行。例如：

// 渲染循环
while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    // 输入
    processInput(window);

    // 渲染指令
    ...

    // 检查并调用事件，交换缓冲
    glfwPollEvents();
    glfwSwapBuffers(window);
}

使用一个自定义的颜色清空屏幕。在每个新的渲染迭代开始的时候我们总是希望清屏，否则我们仍能看见上一次迭代的渲染结果（这可能是你想要的效果，但通常这不是）。我们可以通过调用glClear函数来清空屏幕的颜色缓冲，它接受一个缓冲位(Buffer Bit)来指定要清空的缓冲，可能的缓冲位有GL_COLOR_BUFFER_BIT，GL_DEPTH_BUFFER_BIT和GL_STENCIL_BUFFER_BIT。由于现在我们只关心颜色值，所以我们只清空颜色缓冲。

glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

除了glClear之外，我们还调用了glClearColor来设置清空屏幕所用的颜色。当调用glClear函数，清除颜色缓冲之后，整个颜色缓冲都会被填充为glClearColor里所设置的颜色。在这里，我们将屏幕设置为了类似黑板的深蓝绿色。
glClearColor函数是一个状态设置函数，而glClear函数则是一个状态使用的函数，它使用了当前的状态来获取应该清除为的颜色。