opengl编程基础篇

基本名词

图元

图形渲染管道的输入量是几何图元（比如，三角形，点，直线或者四边形），它们都可以通过一个或者若干个几何顶点来描述。OpenGL支持三种类型的几何图元：点，线段和封闭的多边形。它们都是通过顶点来描述。每个顶点都有几个特定的属性，比如位置，颜色，法线和纹理。OpenGL提供了10种图元（如下图）。球体，三维盒子，角锥体都不是图元，它们都是可以通过图元组合生成。

顶点

顶点可以说是用来描述图元的基本单位，三维中，三角形图元需要三个点空间点确认，而这个空间点就是顶点。四边形由四个顶点组成，点图元就使用一个顶点就行。

如上图正方形，由6个四边形图元组成，每个四边形图元又由四个顶点描述。

顶点数组对象 VAO（Vertex Arrary Object）

顶点缓冲对象 VBO（Vertex Buffer Objects）

索引缓冲对象 EBO（Element Buffer Object）

其他

1. Rendering(渲染)： 把数学和图形数据转换成3D空间图像的操作或指图像。
2. Transformaton(转换)： 把2D下的点连接，使得观察者产生3D的错觉。
3. Projection(投影)： 把3D坐标转换为2D屏幕坐标。
4. Rasterization(光栅化)： 绘制或填充每个定点之间的像素形成线段。在大多数渲染的情况下，我们并不使用线段，而是用实心三角形进行渲染。将每个图元转换为一系列的碎片。我们可以认为一个碎片就是三维空间中的一个像素，同样具有位置，颜色，法线和纹理属性。
5. Shading(着色)： 改变顶点间的表面的颜色值。
6. Shader(着色器)： 在图形硬件上执行的单独程序，用来处理顶点和执行光栅化。
7. Texture Mapping(纹理贴图)： 把图片贴到三角形或多边形上，使3D效果更加显著。
8. Blending(混合)： 把不同颜色混在一起。可以在一个图形中绘制另一个图形，使得效果真实。
9. 顶点处理：对模型的各个顶点进行计算（着色）以及坐标变换

3D图像渲染管道

包括以下几个主要步骤：

1. 顶点处理： 对模型的各个顶点进行计算（着色）以及坐标变换
2. 光栅化： 将每个图元转换为一系列的碎片。我们可以认为一个碎片就是三维空间中的一个像素，同样具有位置，颜色，法线和纹理属性。
3. 碎片处理： 光栅化之后，我们得到一些列的碎片，这个阶段则是对碎片进行处理（着色）
4. 合并输出： 将所有的碎片（3D概念中）转化成二维的颜色像素，最后输出显示到屏幕上

上述步骤中，顶点处理和碎片处理是可编程的。你可以编写顶点着色程序和碎片着色程序，来实现顶点和碎片的自定义运算处理。

一般着色程序使用类似C语言的高级语言编写，比如GLSL（OpenGL Shading Language），HLSL（High-Level Shading Language for Miscrosoft Direct3D），或者Cg（C for Graphics by NVIDIA）。

此外，光栅化和合并输出两个步骤是不可编程的，但是可以配置GPU中处理这两个步骤的一些参数。

opengl接口

可参考文章：https://www.cnblogs.com/linkzijun/p/6196172.html

编程

QT中为我们把OpenGL进行了封装，使用较原生OpenGL简单，除了对OpenGL原生接口的支持，QGLWidget还为OpenGL在多个操作系统平台上的应用进行了浅层封装。

qt支持Opengl的类

1、在Qt中为OpenGL提供支持的类主要有以下几个：

1. OpenGLWindow
2. QOpenGLWidget
3. QOpenGLFunctions
4. QOpenGLBuffer
5. QGLWidget：用于渲染OpenGL场景的易于使用的Qt部件。
6. QGLColormap：用于在QGLWidget中安装用户自定义的颜色图。
7. QGLContext：封装了用于OpenGL渲染的场景。
8. QGLFormat：指定OpenGL演染场景的显示模式。
9. QGLFrameBufferObject 和 QGLPixelBuffer分别提供了对GL帧缓冲对象和GL像素缓冲的支持。
10. QGLPaintEngine：QPaintEngine的派生类，为QPainter提供了OpenGL绘图引擎。

2、添加opengl模块及动态库

添加模块。

QT += opengl

有时候编译很多报错，动态库方向的，那就是没有添加对应的动态库，项目文件中添加对应库。

win32:LIBS += -lOpengl32 \
              -lglu32 \
              -lglut

4、虚函数接口

在QT中写OpenGL需要继承自QOpenGLWidget，QOpenGLWidget提供了三个虚函数用以重载来实现OpenGL的绘制。

1. initializeGL() 注册函数：
   设置GL的渲染绘制属性、定义显示列表、载入固定纹理等初始化工作。在initializeGL()在调用paintGL()之前只被调用一次，之后不再调用。

2. paintGL() 绘制函数：
   在此使用OpenGL中的接口进行场景绘制，QGLWidget的paintEvent( QPaintEvent* )将会自动调用 paintGL()进行部件的显示绘制。也可在需要重绘时通过updateGL()时调用paintGL()，和paintEvent使用基本相似。

3. resizeGL() 该函数：
   用于处理当部件大小发生改变时，对OpenGL绘图管线各矩阵需要进行的操作。该函数paintGL()第一次调用之前，initializeGL()调用之后被第一次被调用， 之后每当QGLWidget的不见大小发生改变时，都将调用该函数来对视图、投影矩阵等进行相应的设置。

5、VBO的创建以及配置

	GLuint vbo_id;		
	glGenBuffers(1, &vbo_id);	//开辟显存空间并分配VBO的ID
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo_id);	//创建VBO并绑定ID
	
	//把用户定义的数据传输到当前的vbo_id
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
	
	//告知OpenGL如何解释这些顶点数据
	glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

OpenGL中所有的图形都是通过分解成三角形的方式进行绘制，glDrawArrays函数负责把模型绘制出来。

	glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);

函数原型：glDrawArrays (GLenum mode, GLint first, GLsizei count)

顶点属性glVertexAttribPointer默认是关闭的，使用时要以顶点属性位置值为参数调用glEnableVertexAttribArray开启。如：

	glEnableVertexAttribArray(0);
 ......
	glDisableVertexAttribArray(0);

6、VAO的创建和配置

	GLuint vao_Id;
	glGenVertexArrays(1, &vao_Id);
	glBindVertexArray(vao_Id);

VAO是一个保存了所有顶点数据属性的状态结合，它存储了顶点数据的格式以及顶点数据所需的VBO对象的引用。VAO本身并没有存储顶点的相关属性数据，这些信息是存储在VBO中的，VAO相当于是对很多个VBO的引用，把一些VBO组合在一起作为一个对象统一管理。

7、EBO的创建和配置

和EBO差不多，只是VBO存储的顶点数据，EBO存储的是索引数据（索引顶点的）

    GLuint EBO;
	glGenBuffers(1, &EBO);
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

当用EBO绑定顶点索引的方式绘制模型时，需要使用glDrawElements而不是glDrawArrays。

8、两个例子

1. 使用VBO，VAO绘制一个矩形图形。即直接依据VBO中的顶点数据绘制。
2. 使用EBO绘制两个三角形，组成同样的矩形图形。使用EBO中的索引查找绘制，此方法节省共用的顶点数据，所以节省顶点数据内存，后期基本都是使用此方法。

例子1：

//使用VAO VBO绘制矩形
#include <GL/glew.h>  
#include <GL/freeglut.h>  
 
void userInit();  //自定义初始化
void reshape(int w, int h);   //重绘
void display(void);
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y);   //键盘退出事件
 
GLuint vboId;//vertex buffer object句柄    
GLuint vaoId;//vertext array object句柄    
GLuint programId;//shader program 句柄    
 
int main(int argc, char **argv)
{
	glutInit(&argc, argv);
	glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE);
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	glutInitWindowSize(512, 512);
	glutCreateWindow("Rectangle demo");
 
	//使用glew，需要执行glewInit，不然运行过程会报错
	//glewInit要放在glut完成了基本的初始化之后执行
	glewInit();
 
	//自定义初始化，生成VAO，VBO对象
	userInit();
 
	//重绘函数
	glutReshapeFunc(reshape);
 
	glutDisplayFunc(display);
 
	//注册键盘按键退出事件
	glutKeyboardFunc(keyboardAction);
 
	glutMainLoop();
	return 0;
}
 
//自定义初始化函数    
void userInit()
{
	glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	//创建顶点数据    
	const GLfloat vertices[] = {
		-0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
		0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
		0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
		-0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
	};
 
	//创建VAO对象
	glGenVertexArrays(1, &vaoId);
	glBindVertexArray(vaoId);
 
	//创建VBO对象	
	glGenBuffers(1, &vboId);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
	//传入VBO数据
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
	//解除VBO绑定
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
 
//调整窗口大小回调函数    
void reshape(int w, int h)
{
	glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
}
 
//绘制回调函数    
void display(void)
{
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 
	//绑定VBO
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
	glEnableVertexAttribArray(0);
 
	//解释顶点数据方式
	glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
 
	//绘制模型
	glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);
 
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
	glDisableVertexAttribArray(0);
 
	glutSwapBuffers();
}
 
//键盘按键回调函数    
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y)
{
	switch (key)
	{
	case 033:  // Escape key    
		exit(EXIT_SUCCESS);
		break;
	}
}

例子2：

//使用EBO绘制矩形(两个三角形)
#include <GL/glew.h>  
#include <GL/freeglut.h>  
 
void userInit();  //自定义初始化
void reshape(int w, int h);   //重绘
void display(void);
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y);   //键盘退出事件
 
GLuint eboId;//element buffer object句柄    
GLuint vboId;//vertext buffer object句柄    
GLuint vaoId;//vertext array object句柄    
 
int main(int argc, char **argv)
{
	glutInit(&argc, argv);
	glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE);
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	glutInitWindowSize(512, 512);
	glutCreateWindow("Rectangle demo");
 
	//使用glew，需要执行glewInit，不然运行过程会报错
	//glewInit要放在glut完成了基本的初始化之后执行
	glewInit();
 
	//自定义初始化，生成VAO，VBO,EBO
	userInit();
 
	//重绘函数
	glutReshapeFunc(reshape);
	glutDisplayFunc(display);
	//注册键盘按键退出事件
	glutKeyboardFunc(keyboardAction);
	glutMainLoop();
	return 0;
}
 
//自定义初始化函数    
void userInit()
{
	glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
 
	//创建顶点数据    
	const GLfloat vertices[] = {
		-0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
		0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
		0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
		-0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
	};
	// 索引数据
	GLshort indices[] = {
		0, 1, 3,  // 第一个三角形
		1, 2, 3   // 第二个三角形
	};
 
	//创建VAO对象
	glGenVertexArrays(1, &vaoId);
	glBindVertexArray(vaoId);
 
	//创建VBO对象，把顶点数组复制到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用
	glGenBuffers(1, &vboId);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
 
	//创建EBO对象	
	glGenBuffers(1, &eboId);
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, eboId);
	//传入EBO数据
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
 
	//解释顶点数据方式
	glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
	glEnableVertexAttribArray(0);
 
	//解绑VAO
	glBindVertexArray(0);
	//解绑EBO
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
	//解绑VBO
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
 
//调整窗口大小回调函数    
void reshape(int w, int h)
{
	glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
}
 
//绘制回调函数    
void display(void)
{
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
	//绑定VAO
	glBindVertexArray(vaoId);
	//绘制模型
	glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);
	glutSwapBuffers();
}
 
//键盘按键回调函数    
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y)
{
	switch (key)
	{
	case 033:  // Escape key    
		exit(EXIT_SUCCESS);
		break;
	}
}