初学OpenGL（2）：绘制三角形

一、着色器

    在OpenGL中，任何事物都在3D空间中，而屏幕和窗口却是2D像素数组，这导致OpenGL的大部分工作都是关于把3D坐标转变为适应你屏幕的2D像素。3D坐标转为2D坐标的处理过程是由OpenGL的图形渲染管线（Graphics Pipeline，大多译为管线，实际上指的是一堆原始图形数据途经一个输送管道，期间经过各种变化处理最终出现在屏幕的过程）管理的。

    图形渲染管线接受一组3D坐标，然后把它们转变为你屏幕上的有色2D像素输出。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)。

     有的着色器允许开发者自己配置，以更好的完成开发者需求的功能，OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language, GLSL)写成的。

    下面，你会看到一个图形渲染管线的每个阶段的抽象展示。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。

    图形渲染管线非常复杂，它包含很多可配置的部分。然而，对于大多数场合，我们只需要配置顶点和片段着色器就行了。几何着色器是可选的，通常使用它默认的着色器就行了。在现代OpenGL中，我们必须定义至少一个顶点着色器和一个片段着色器（因为GPU中没有默认的顶点/片段着色器）。

二、顶点输入

    OpenGL处理有限范围内的三维坐标，即所谓的标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates)范围内的坐标，-1.0到1.0。例如定义一个三角形，三个顶点，每个顶点有三个坐标：

float vertices[] = {
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.0f,  0.5f, 0.0f
};

    通常深度可以理解为z坐标，它代表一个像素在空间中和你的距离，如果离你远就可能被别的像素遮挡，你就看不到它了，它会被丢弃，以节省资源。这里因为定义二维三角形，所以把z都设为0。

    在定义好顶点之后，我们需要将顶点数据发送给GPU上图形渲染管线的第一阶段，顶点着色器。它在GPU上创建内存空间来存放这些数据，并且需要配置OpenGL如何解释这些内存。

    我们通过顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)管理这个内存，它会在GPU内存（通常被称为显存）中储存大量顶点。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。

    VBO是OpenGL的对象。具体创建流程为：

unsigned int VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);//创建缓冲
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); //绑定缓冲，顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); //复制顶点数据到缓冲

    glGenBuffer有两个参数，第一个是我们希望产生的缓冲数目，第二个是一个地址指针。我们上面的写法是只产生一个VBO。当然，我们可以建立一个VBO数组，同时产生多个VBO，然后分别绑定:

unsigned int VBOs[2];
glGenBuffers(2, VBOs);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBOs[0]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(firstTriangle), firstTriangle, GL_STATIC_DRAW);

    glBufferData有四个参数，第一个参数是目标缓冲的类型，第二个参数指定传输数据的大小（字节），第三个参数是希望发送的数据，第四个参数指定显卡如何管理数据。它有三种形式：

        GL_STATIC_DRAW ：数据不会或几乎不会改变。
        GL_DYNAMIC_DRAW：数据会被改变很多。

        GL_STREAM_DRAW ：数据每次绘制时都会改变。

三、顶点着色器

    之前提到过需要用GLSL编写着色器，这在我们的程序中体现为一个字符串。

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";

    每个着色器起始于一个版本声明。下一步，使用in关键字，在顶点着色器中声明所有的输入顶点属性(Input Vertex Attribute)。现在我们只关心位置(Position)数据，所以我们只需要一个顶点属性。由于每个顶点都有一个3D坐标，我们就创建一个vec3输入变量aPos。我们同样也通过layout (location = 0)设定了输入变量的位置值(Location)。

    为了设置顶点着色器的输出，我们必须把位置数据赋值给预定义的gl_Position变量，它在幕后是vec4类型的。在main函数的最后，我们将gl_Position设置的值会成为该顶点着色器的输出。由于我们的输入是一个3分量的向量，我们必须把它转换为4分量的。我们可以把vec3的数据作为vec4构造器的参数，同时把w分量设置为1.0f（我们会在后面解释为什么）来完成这一任务。

四、编译着色器

    我们已经写了一个顶点着色器源码（储存在一个C的字符串中），但是为了能够让OpenGL使用它，我们必须在运行时动态编译它的源码：

    // link shaders
    int shaderProgram = glCreateProgram();
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // check for linking errors
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);

    glShaderSource函数把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量，这里只有一个。第三个参数是顶点着色器真正的源码，第四个参数我们先设置为NULL。

五、片段着色器

    片段着色器所做的是计算像素最后的颜色输出。在计算机图形中颜色被表示为有4个元素的数组：红色、绿色、蓝色和alpha(透明度)分量，通常缩写为RGBA。当在OpenGL或GLSL中定义一个颜色的时候，我们把颜色每个分量的强度设置在0.0到1.0之间。为了让事情更简单，我们的片段着色器将会一直输出橘黄色。

    片段着色器只需要一个输出变量，这个变量是一个4分量向量，它表示的是最终的输出颜色，我们应该自己将其计算出来。我们可以用out关键字声明输出变量，这里我们命名为FragColor。编译片段着色器的步骤与顶点着色器相似。

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";
// fragment shader
	int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
	glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
	glCompileShader(fragmentShader);
	// check for shader compile errors
	glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
	}

    接下来的工作是把两个着色器对象链接到一个用来渲染的着色器程序(Shader Program)中。

    着色器程序对象(Shader Program Object)是多个着色器合并之后并最终链接完成的版本。如果要使用刚才编译的着色器我们必须把它们链接(Link)为一个着色器程序对象，然后在渲染对象的时候激活这个着色器程序。已激活着色器程序的着色器将在我们发送渲染调用的时候被使用。

    当链接着色器至一个程序的时候，它会把每个着色器的输出链接到下个着色器的输入。

        // link shaders
	int shaderProgram = glCreateProgram();
	glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
	glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
	glLinkProgram(shaderProgram);
	// check for linking errors
	glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
	if (!success) {
		glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
	}
	glDeleteShader(vertexShader);
	glDeleteShader(fragmentShader);

    在把着色器对象链接到程序对象以后，记得删除着色器对象，我们不再需要它们了。

    我们可以调用glUseProgram函数，用刚创建的程序对象作为它的参数，以激活这个程序对象：

glUseProgram(shaderProgram);

六、链接顶点属性

    顶点着色器允许我们指定任何以顶点属性为形式的输入。这使其具有很强的灵活性的同时，它还的确意味着我们必须手动指定输入数据的哪一个部分对应顶点着色器的哪一个顶点属性。所以，我们必须在渲染前指定OpenGL该如何解释顶点数据。

    我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子：

        位置数据被储存为32位（4字节）浮点值。
        每个位置包含3个这样的值。
        在这3个值之间没有空隙（或其他值）。这几个值在数组中紧密排列(Tightly Packed)。

        数据中第一个值在缓冲开始的位置。

    使用glVertexAttribPointer函数告诉OpenGL该如何解析顶点数据（应用到逐个顶点属性上）：

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

    每个顶点属性从一个VBO管理的内存中获得它的数据，而具体是从哪个VBO（程序中可以有多个VBO）获取则是通过在调用glVetexAttribPointer时绑定到GL_ARRAY_BUFFER的VBO决定的。

    glVertexAttribPointer函数的参数非常多，所以我会逐一介绍它们：

        第一个参数指定我们要配置的顶点属性。还记得我们在顶点着色器中使用layout(location = 0)定义了position顶点属性的位置值(Location)吗？它可以把顶点属性的位置值设置为0。因为我们希望把数据传递到这一个顶点属性中，所以这里我们传入0。

        第二个参数指定顶点属性的 大小。顶点属性是一个vec3，它由3个值组成，所以大小是3。
        第三个参数指定数据的 类型，这里是GL_FLOAT(GLSL中vec*都是由浮点数值组成的)。
        下个参数定义我们是否希望数据被 标准化(Normalize)。如果我们设置为GL_TRUE，所有数据都会被映射到0（对于有符号型signed数据是-1）到1之间。我们把它设置为GL_FALSE。
        第五个参数叫做 步长(Stride)，它告诉我们在连续的顶点属性组之间的间隔。由于下个组位置数据在3个float之后，我们把步长设置为3 * sizeof(float)。要注意的是由于我们知道这个数组是紧密排列的（在两个顶点属性之间没有空隙）我们也可以设置为0来让OpenGL决定具体步长是多少（只有当数值是紧密排列时才可用）。一旦我们有更多的顶点属性，我们就必须更小心地定义每个顶点属性之间的间隔，我们在后面会看到更多的例子（译注: 这个参数的意思简单说就是从这个属性第二次出现的地方到整个数组0位置之间有多少字节）。

        最后一个参数的类型是void*，所以需要我们进行这个奇怪的强制类型转换。它表示位置数据在缓冲中起始位置的偏移量(Offset)。由于位置数据在数组的开头，所以这里是0。我们会在后面详细解释这个参数。

七、顶点数组对象

    顶点数组对象(Vertex Array Object, VAO)可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单，只需要绑定不同的VAO就行了。OpenGL的核心模式要求我们使用VAO。

    一个顶点数组对象会储存以下这些内容：
        glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用。
        通过glVertexAttribPointer设置的顶点属性配置。
        通过glVertexAttribPointer调用与顶点属性关联的顶点缓冲对象。

    

     使用VAO进行渲染的流程大概是这样：

unsigned int VAO; //创建VAO
glGenVertexArrays(1, &VAO);

// ..:: 初始化代码（只运行一次 (除非你的物体频繁改变)） :: ..
// 1. 绑定VAO
glBindVertexArray(VAO);
// 2. 把顶点数组复制到缓冲中供OpenGL使用
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 3. 设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
//你可以解绑VAO，但由于每次改变VAO都需要再次进行绑定，所以这不是必要的
[...]

// ..:: 绘制代码（渲染循环中） :: ..
// 4. 绘制物体
glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO);
someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();

八、索引缓冲对象

    我们接下来讨论索引缓冲对象(Element Buffer Object，EBO，也叫Index Buffer Object，IBO)。对于复杂的图形，我们可以用三角形拼接起来（OpenGL主要处理三角形），但这就会带来顶点重复的问题。更好的解决方案是只储存不同的顶点，并设定绘制这些顶点的顺序。这样子我们只要储存4个顶点就能绘制矩形了，之后只要指定绘制的顺序就行了。

    和顶点缓冲对象一样，EBO也是一个缓冲，它专门储存索引，OpenGL调用这些顶点的索引来决定该绘制哪个顶点。首先，我们先要定义（不重复的）顶点，和绘制出矩形所需的索引：

float vertices[] = {
    0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角
    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
    -0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角
};

unsigned int indices[] = { // 注意索引从0开始! 
    0, 1, 3, // 第一个三角形
    1, 2, 3  // 第二个三角形
};

    创建和绑定EBO的过程与VBO相似，只不过这次我们把缓冲的类型定义为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。

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

    最后一件要做的事是用glDrawElements来替换glDrawArrays函数，来指明我们从索引缓冲渲染。使用glDrawElements时，我们会使用当前绑定的索引缓冲对象中的索引进行绘制：

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

    第一个参数指定了我们绘制的模式，这个和glDrawArrays的一样。第二个参数是我们打算绘制顶点的个数，这里填6，也就是说我们一共需要绘制6个顶点。第三个参数是索引的类型，这里是GL_UNSIGNED_INT。最后一个参数里我们可以指定EBO中的偏移量（或者传递一个索引数组，但是这是当你不在使用索引缓冲对象的时候），但是我们会在这里填写0。

    不过顶点数组对象同样可以保存索引缓冲对象的绑定状态。VAO绑定时正在绑定的索引缓冲对象会被保存为VAO的元素缓冲对象。绑定VAO的同时也会自动绑定EBO。

    当目标是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER的时候，VAO会储存glBindBuffer的函数调用。这也意味着它也会储存解绑调用，所以确保你没有在解绑VAO之前解绑索引数组缓冲，否则它就没有这个EBO配置了。对于VBO而言没有这个问题，因为glVertexAttribPointer已经记录了当前绑定的VBO，所以你可以安全地解绑VBO：

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

    最后的结果如图：

    右边是使用线框模式(Wireframe Mode)绘制的图形，可以看到确实是由两个三角形组成的。