OpenGL学习之可编程绘制管线
写在前面
笔者为了做一些计算流体力学的东西，在看了很多论文后开始着手编写程序。原本是打算借用GitHub上面的项目框架，自己再往里添加自己的东西。但是，为了发文章以及在老师和学长的建议下，还是准备自己完成整个工程。于是乎，有了现在的再学OpenGL！！！
早在2017年6月，为了早点融入新的环境开始了自己新的学习之旅。第一个就是OpenGL！并没有太深入的学习，也就是网上找了一些简单的教程，跟着教程简单的学习一下，运行一下程序。感受了一下OpenGL，知道了“哦，原来是这么回事！”。到底怎么回事？
OpenGL和很多一些开源库（工具）不一样，OpenGL函数没有明确的是输入输出以及作用对象。就拿OpenCV来说，cvtColor函数如下：
cvtColor(Mat src,Mat dst,Size size); glMatrixMode (GL_PROJECTION );
glLoadIdentity (); 1 为什么要再学？
这两天准备写自己的框架，就按照学长推荐的一个 链接（https://learnopengl.com/）学习。看了不到10分钟，就发现不对劲了。glCreateShader、glShaderSource、glCompileShader还有VBO、VAO都是什么鬼？我的glEnable(),glColor(),glVertex(),glEnable()呢？我以前恐怕是学的假OpenGL。
和学长的交流中，发现这就是传说中的
固定管线和
可编程管线的区别。固定管线是一套固定的流程和函数，开发者可以“傻瓜”式的使用这些函数完成绘制和渲染，根本不需要掌握GPU的相关知识。但是，由于固定管线很多都是固定的，最终效果也就差强人意。好在OpenGL ES 2.0以后就开始有了可编程管线。
2 可编程绘制管线
可编程绘制管线的流程大概如下图所示，要注意
蓝色部分代表的是我们可以注入自定义的着色器的部分。图形渲染管线可以被划分为几个阶段，
每个阶段将会把前一个阶段的输出作为输入。所有这些阶段都是高度专门化的（它们都有一个特定的函数），并且很容易并行执行。正是由于它们具有并行执行的特性，当今大多数显卡都有成千上万的小处理核心，它们在GPU上为每一个（渲染管线）阶段运行各自的小程序，从而在图形渲染管线中快速处理你的数据。这些小程序叫做着色器(Shader)。
图形渲染管线的第一个部分是顶点着色器(Vertex Shader)，它把
一个单独的顶点作为输入。顶点着色器主要的目的是把3D坐标转为另一种3D坐标（后面会解释），同时顶点着色器允许我们对顶点属性进行一些基本处理。
图元装配(Primitive Assembly)阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点），并所有的点装配成指定图元的形状；本节例子中是一个三角形。
图元装配阶段的输出会传递给几何着色器(Geometry Shader)。几何着色器把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。
几何着色器的输出会被传入光栅化阶段(Rasterization Stage)，这里它会把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成供片段着色器(Fragment Shader)使用的片段(Fragment)。 在片段着色器运行之前会执行裁切(Clipping)。裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素，用来提升执行效率。
片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。
在所有对应颜色值确定以后，最终的对象将会被传到最后一个阶段，我们叫做Alpha测试和混合(Blending)阶段。这个 阶段检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值，用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值（alpha值定义了一个物体的透明度）并对物体进行混合(Blend)。所以，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。
图元装配(Primitive Assembly)阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点），并所有的点装配成指定图元的形状；本节例子中是一个三角形。
图元装配阶段的输出会传递给几何着色器(Geometry Shader)。几何着色器把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。
几何着色器的输出会被传入光栅化阶段(Rasterization Stage)，这里它会把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成供片段着色器(Fragment Shader)使用的片段(Fragment)。 在片段着色器运行之前会执行裁切(Clipping)。裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素，用来提升执行效率。
片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。
在所有对应颜色值确定以后，最终的对象将会被传到最后一个阶段，我们叫做Alpha测试和混合(Blending)阶段。这个 阶段检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值，用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值（alpha值定义了一个物体的透明度）并对物体进行混合(Blend)。所以，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。
3 第一个可编程OpenGL程序
需要配置GLFW和glad。具体环境配置和代码解读会在下篇博客里详细说明。
#include
#include
#include
unsigned int shaderProgram;
GLFWwindow* window;
float vertices[] = {
-0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.0f, 0.5f, 0.0f
};
unsigned int VAO,VBO;
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
glViewport(0, 0, width, height);
}
void processInput(GLFWwindow *window)
{
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}
void vertexAndFragmentShader()
{
/*Vertex Shader*/
const char *vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"}\0";
/*Compile Shader*/
unsigned int vertexShader;
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
glCompileShader(vertexShader);
/*fragment shader*/
const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
"}\n\0";
/*Compile Shader*/
unsigned int fragmentShader;
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
glCompileShader(fragmentShader);
int success;
char infoLog[512];
glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success)
{
glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}
/*Shader Program Object*/
shaderProgram = glCreateProgram();
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
glLinkProgram(shaderProgram);
glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
if (!success) {
glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}
glDeleteShader(vertexShader);
glDeleteShader(fragmentShader);
}
void initWork()
{
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);
window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
if (window == NULL)
{
std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
glfwTerminate();
//return -1;
}
glfwMakeContextCurrent(window);
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
//return -1;
}
glViewport(0, 0, 800, 600);
/* call this function on every window resize for resizing viewport*/
glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);
}
void linkingVertexAttributes()
{
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glBindVertexArray(VAO);
glGenBuffers(1, &VBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
//attrib location ,attrib size,type,normalize,stride,offset
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);//attrib location
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);
}
/************** MAIN ******************/
int main()
{
initWork();
/*shader*/
vertexAndFragmentShader();
linkingVertexAttributes();
// uncomment this call to draw in wireframe polygons.
//glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
/*keyborad input*/
processInput(window);
/*render*/
glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
/*glfw: swap buffers and poll IO events (keys pressed/released, mouse moved etc.*/
glfwSwapBuffers(window);
glfwPollEvents();
}
glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
glDeleteBuffers(1, &VBO);
glfwTerminate();
return 0;
} 