OpenGL入门学习（十三）

这个教程，拖了大半年都没有更新，很多朋友可能都以为它不会再更新了。有的时候甚至我自己也是这样认为的，因为水平的限制，还有时间的限制。但是我觉得，如果有机会能够写一点了，那么我就抓住机会写一点，总比什么都不写要好。
这个五一节没有什么安排，就多写一些课程给大家吧。
必须说明一下，我自己的水平实在有限，出错在所难免。前面写的十二课教程，有些内容的说明是不完整的或者不正确的。有的问题，朋友拿来问我，结果我自己都没办法自圆其说，实在惭愧。虽然现在自己的能力比写课程的时候有所提高，但是我也并没有修改那些教程了。

现在即将放出的是第十三课的内容。

提示：附件中有本次课程的全部内容，课程正文为HTML格式，图片通常为PNG格式，帖子中的图片为GIF或JPG格式，质量会稍差。

提示：本课的内容是枯燥的理论知识。如果读者能够理解，当然是好事，在以后的学习中会更加方便。如果暂时没能理解，也没有关系，可以跳过本课往后看。

接下来让我们进入正题。

前一段时间里，论坛有位朋友问什么是状态机。按我的理解，状态机就是一种存在于理论中的机器，它具有以下的特点：
1. 它有记忆的能力，能够记住自己当前的状态。
2. 它可以接收输入，根据输入的内容和自己的状态，修改自己的状态，并且可以得到输出。
3. 当它进入某个特殊的状态（停机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。


理论说起来很抽象，但实际上是很好理解的。
首先，从本质上讲，我们现在的电脑就是典型的状态机。可以对照理解：
1. 电脑的存储器（内存、硬盘等等），可以记住电脑自己当前的状态（当前安装在电脑中的软件、保存在电脑中的数据，其实都是二进制的值，都属于当前的状态）。
2. 电脑的输入设备接收输入（键盘输入、鼠标输入、文件输入），根据输入的内容和自己的状态（主要指可以运行的程序代码），修改自己的状态（修改内存中的值），并且可以得到输出（将结果显示到屏幕）。
3. 当它进入某个特殊的状态（关机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。 

OpenGL也可以看成这样的一种机器。让我们先对照理解一下：
1. OpenGL可以记录自己的状态（比如：当前所使用的颜色、是否开启了混合功能，等等，这些都是要记录的）
2. OpenGL可以接收输入（当我们调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接收我们的输入），根据输入的内容和自己的状态，修改自己的状态，并且可以得到输出（比如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的“当前颜色”这个状态；我们调用glRectf，则OpenGL会输出一个矩形）
3. OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。这个可能在我们的程序中表现得不太明显，不过在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的。 

还是没理解？呵呵，看来这真不是个好的开始呀，难得等了这么久，好不容易教程有更新了，怎么如此的难懂啊？？没关系，实在没理解，咱就不理解它了。接着往下看。

为什么我要提到“状态机”这个枯燥的、晦涩的概念呢？其实它可以帮助我们理解一些东西。
比如我在前面的教程里面，经常说：
可以使用glColor*函数来选择一种颜色，以后绘制的所有物体都是这种颜色，除非再次使用glColor*函数重新设定。
可以使用glTexCoord*函数来设置一个纹理坐标，以后绘制的所有物体都是采用这种纹理坐标，除非再次使用glTexCoord*函数重新设置。
可以使用glBlendFunc函数来指定混合功能的源因子和目标因子，以后绘制的所有物体都是采用这个源因子和目标因子，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
可以使用glLight*函数来指定光源的位置、颜色，以后绘制的所有物体都是采用这个光源的位置、颜色，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
……
呵呵，很繁，是吧？“状态机”可以简化这个描述。
OpenGL是一个状态机，它保持自身的状态，除非用户输入一条命令让它改变状态。
颜色、纹理坐标、源因子和目标因子、光源的各种参数，等等，这些都是状态，所以这一句话就包含了上面叙述的所有内容。
此外，“是否启用了光照”、“是否启用了纹理”、“是否启用了混合”、“是否启用了深度测试”等等，这些也都是状态，也符合上面的描述：OpenGL会保持状态，除非我们调用OpenGL函数来改变它。

取得OpenGL的当前状态
OpenGL保存了自己的状态，我们可以通过一些函数来取得这些状态。
首先来说一些启用/禁用的状态。
我们通过glEnable来启用状态，通过glDisable来禁用它们。例如：
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_BLEND);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
可以用glIsEnabled函数来检测这些状态是否被开启。例如：
glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST);
glIsEnabled(GL_BLEND);
glIsEnabled(GL_CULL_FACE);
glIsEnabled(GL_LIGHTING);
glIsEnabled(GL_TEXTURE_2D);
如果状态是开启的，则glIsEnabled函数返回GL_TRUE（这是一个不为零的常量，一般被定义为1）；否则返回GL_FALSE（这是一个常量，其值为零）
我们可以在程序里面写： 

if( glIsEnabled(GL_BLEND) ) {
    // 当前开启了混合功能
} else {
    // 当前没有开启混合功能
}

再看其它类型的状态。
比如当前颜色，其值是四个浮点数，当前设置的直线宽度，其值是一个浮点数，当前的视口（Viewport，参见第五课），其值是四个整数。
为了取得整数类型、浮点数类型的状态，OpenGL提供了glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev这四个函数。调用函数时，指定需要得到的状态的名称，以及需要将状态值存放到的位置（一个指针），则这四个函数可以把状态值存放到指针所值位置。例如：

// 取得当前的直线宽度
GLfloat lw;
glGetFloatv(GL_LINE_WIDTH, &lw);
// 取得当前的颜色
GLfloat cc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
// 取得当前的视口
GLint viewport[4];
glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);

说明：
1. 注意元素的个数。比如GL_LINE_WIDTH状态只有一个值，而GL_CURRENT_COLOR有四个值。应该小心的定义变量或者数组，避免下标越界。
2. 使用四个不同的函数，同一种状态也可以返回为不同类型的值。比如要得到当前的颜色，一般可以返回GLfloat类型或者GLdouble类型。代码如下： 

GLfloat cc[4];
GLdouble dcc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
glGetDoublev(GL_CURRENT_COLOR, dcc);

glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev这四个函数可以得到OpenGL中多数的状态，但是还有一些状态不便用这四个函数来取得。比如光源的状态，因为可能有多个光源，所以不可能使用类似glGetFloatv(GL_LIGHT_POSITION, pos);这样的方法来得到光源位置。为了解决这个问题，OpenGL专门提供了glGetLight*系列函数，来取得光源的状态。
类似的，还有glGetMaterial*, glGetTexParameter*等，每个函数都有自己的适用范围。

设置OpenGL状态
呵呵，读者可能会有疑问。既然有getXXX这样的函数来取得OpenGL的状态，那么为什么没有setXXX这样的函数来设置OpenGL状态呢？
答案很简单，因为OpenGL已经提供了大量的函数来设置状态了：glColor*, glMaterial*, glEnable, glDisable, 等等，大多数OpenGL函数都是用来设置OpenGL状态的，因此不需要再设计一个setXXX函数来设置OpenGL状态。
从“状态机”的角度来看。状态机根据输入来修改自己的状态，而不是由外界直接修改自己的状态。所以不设置setXXX这样的函数，也是很合理的。

OpenGL工作流程
教程都放到第十三课了，但是我一直没有对“工作流程”这种东西做过说明。OpenGL是按照什么样的流程来进行工作的呢？下面的图片可以简要的说明一下：

声明：该图片来自www.opengl.org，该图片是《OpenGL编程指南》一书的附图，由于该书的旧版（第一版，1994年）已经流传于网络，我希望没有触及到版权问题。
因为图片中的文字是英语，这里还翻译一下。说明文字也夹杂在翻译之中了。
1. Vertex data: 顶点数据。比如我们指定的颜色、纹理坐标、法线向量、顶点坐标等，都属于顶点数据。
2. Pixel data: 像素数据。我们在绘制像素、指定纹理时都会用到像素数据。
3. Display list: 显示列表。可以把调用的OpenGL函数保存起来。（参见第八课）
4. Evaluators: 求值器。这个我们在前面的课程中没有提到，以后估计也不太会提到。利用求值器可以指定贝赛尔曲线或者贝赛尔曲面，但是实际上还是可以理解为指定顶点、指定纹理坐标、指定法线向量等。
5. Per-vertex operations and primitive assembly: 单一的顶点操作以及图元装配。首先对单一的顶点进行操作，比如变换（参见第五课）。然后把顶点装配为图元（图元就是OpenGL所能绘制的最简单的图形，比如点、线段、三角形、四边形、多边形等，参见第二课）
6. Pixel operations: 像素操作。例如把内存中的像素数据格式转化为图形硬件所支持的数据格式。对于纹理，可以替换其中的一部分像素，这也属于像素操作。
7. Rasterization: 光栅化。顶点数据和像素数据在这里交汇（可以想像成：顶点和纹理，一起组合成了具有纹理的三角形），形成完整的、可以显示的一整块（可能是点、线段、三角形、四边形，或者其它不规则图形），里面包含若干个像素。这一整块被称为fragment（片段）。
8. Per-fragment operations: 片段操作。包括各种片段测试（参见第十二课）。
9. Framebuffer: 帧缓冲。这是一块存储空间，显示设备从这里读取数据，然后显示到屏幕。
10. Texture assembly: 纹理装配，这里我也没怎么弄清楚:(，大概是说纹理的操作和像素操作是相关的吧。
说明：图片中实线表示正常的处理流程，虚线表示数据可以反方向读取，比如可以用glReadPixels从帧缓冲中读取像素数据（实际上是从帧缓冲读取数据，经过像素操作，把显示设备中的像素数据格式转化为内存中的像素数据格式，最终成为内存中的像素数据）。

小结

本课是枯燥的理论知识。
OpenGL是一个状态机，它维持自己的状态，并根据用户调用的函数来改变自己的状态。根据状态的不同，调用同样的函数也可能产生不同的效果。
可以通过一些函数来获取OpenGL当前的状态。常用的函数有：glIsEnabled, glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev。
OpenGL的工作流程，输入像素数据和顶点数据，两种数据分别操作后，通过光栅化，得到片段，再经过片段处理，最后绘制到帧缓冲区。绘制的结果也可以逆方向传送，最终转化为像素数据。