openGL基础6：Matrix，MVP（较详细）

openGL中文版- https://learnopengl-cn.readthedocs.io/zh/latest/
OpenGL各版本的规范和扩展。- https://www.khronos.org/registry/OpenGL/index_gl.php
OpenGL3.3规范文档- https://www.khronos.org/registry/OpenGL/specs/gl/glspec33.core.pdf
LearnOpenGL中文化工程- https://github.com/LearnOpenGL-CN/LearnOpenGL-CN

> OpenGL简介

  OpenGL库的开发者通常是显卡的生产商。OpenGL的细节（只关心函数功能的描述而不是函数的实现）
  此从OpenGL3.2开始，规范文档开始废弃立即渲染模式，推出核心模式(Core-profile)，这个模式完全移除了旧的特性。
  OpenGL的一大特性就是对扩展(Extension)的支持，当一个显卡公司提出一个新特性或者渲染上的大优化，通常会以扩展的方式在驱动中实现。
  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)。我们通常使用如下途径去更改OpenGL状态：设置选项，操作缓冲。最后，我们使用当前OpenGL上下文来渲染。OpenGL本质上是个大状态机。OpenGL定义的这些GL基元类型的内存布局是与平台无关的，而int等基元类型在不同操作系统上可能有不同的内存布局。
  最流行的几个库有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。

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。
glClearColor函数是一个状态设置函数，而glClear函数则是一个状态应用的函数。

  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。图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：第一部分把你的3D坐标转换为2D坐标，第二部分是把2D坐标转变为实际的有颜色的像素。
  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)。
  OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language, GLSL)写成的。
  为了让OpenGL知道我们的坐标和颜色值构成的到底是什么，OpenGL需要你去指定这些数据所表示的渲染类型。

-- OpenGL3.0教程 第三课： 矩阵- https://blog.csdn.net/hi_zhengjian/article/details/48780743
opengl es 2.0 3.0 MVP矩阵计算- https://blog.csdn.net/u014538198/article/details/49817499
-- Matrix矩阵在GLSL中的运算；三维投影转换的算法。
  ViewMatrix用于直接将World坐标系下的坐标转换到Camera坐标系下。已知相机的坐标系，还有相机在世界空间下的坐标.就可以求出ViewMatrix。常见的求ViewMatrix的情况有三种，一种是用LookAt函数，第二种是类似FPS游戏中通过pitch和yaw来算，还有一种是类似轨迹球的算法。
  透视投影ProjectionMatrix是3D固定流水线的重要组成部分，是将相机空间中的点从视锥体(frustum)变换到规则观察体(Canonical View Volume)中，待裁剪完毕后进行透视除法的行为。View（又叫相机）矩阵和投影（projection）矩阵。

相机投影类型：投影矩阵（ ProjectMatrix ）
相机的位置和方向: 视图矩阵 ( CameraMatrixWorldInverse 或 ViewMatrix )
物体的位置和形变: 物体位置矩阵( ObjectWorldMatrix )

  GLSL ES支持矢量和矩阵类型，这两种数据类型很适合用来处理计算机图形。矢量和矩阵类型的变量都包含多个元素，每个元素是一个数值（整型数、浮点数或布尔值）。矢量将这些元素排成一列，可以用来表示顶点坐标或颜色值等，而矩阵则将元素划分成行和列，可以用来表示变换矩阵。
varying vec4 gl_FrontColor; // writable on the vertex shader
varying vec4 gl_BackColor; // writable on the vertex shader
varying vec4 gl_Color; // readable on the fragment shader

 
> 顶点着色器，几何着色器，片元着色器
  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。

  开始绘制图形之前，我们必须先给OpenGL输入一些顶点数据。OpenGL是一个3D图形库，所以我们在OpenGL中指定的所有坐标都是3D坐标（x、y和z）。OpenGL不是简单地把所有的3D坐标变换为屏幕上的2D像素；OpenGL仅当3D坐标在3个轴（x、y和z）上都为-1.0到1.0的范围内时才处理它。所有在所谓的标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates)范围内的坐标才会最终呈现在屏幕上（在这个范围以外的坐标都不会显示）。

  一旦你的顶点坐标已经在顶点着色器中处理过，它们就应该是标准化设备坐标了，标准化设备坐标是一个x、y和z值在-1.0到1.0的一小段空间。任何落在范围外的坐标都会被丢弃/裁剪，不会显示在你的屏幕上。

  你的标准化设备坐标接着会变换为屏幕空间坐标(Screen-space Coordinates)，这是使用你通过glViewport函数提供的数据，进行视口变换(Viewport Transform)完成的。所得的屏幕空间坐标又会被变换为片段输入到片段着色器中。

  定义这样的顶点数据以后，我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的第一个处理阶段：顶点着色器。它会在GPU上创建内存用于储存我们的顶点数据，还要配置OpenGL如何解释这些内存，并且指定其如何发送给显卡。顶点着色器接着会处理我们在内存中指定数量的顶点。
  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。使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。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。
  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。
  三角形的位置数据不会改变，每次渲染调用时都保持原样，所以它的使用类型最好是GL_STATIC_DRAW。如果，比如说一个缓冲中的数据将频繁被改变，那么使用的类型就是GL_DYNAMIC_DRAW或GL_STREAM_DRAW，这样就能确保显卡把数据放在能够高速写入的内存部分。

  打算做渲染的话，现代OpenGL需要我们至少设置一个顶点和一个片段着色器。着色器语言GLSL(OpenGL Shading Language)编写顶点着色器。GLSL看起来很像C语言。
  在图形编程中我们经常会使用向量这个数学概念，因为它简明地表达了任意空间中的位置和方向，并且它有非常有用的数学属性。在GLSL中一个向量有最多4个分量，每个分量值都代表空间中的一个坐标，它们可以通过vec.x、vec.y、vec.z和vec.w来获取。注意vec.w分量不是用作表达空间中的位置的（我们处理的是3D不是4D），而是用在所谓透视划分(Perspective Division)上。
  片段着色器全是关于计算你的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。比如说我们设置红为1.0f，绿为1.0f，我们会得到两个颜色的混合色，即黄色。
  着色器编码-着色器编译-着色器链接-着色器程序。
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。
  索引缓冲对象(Element Buffer Object，EBO，也叫Index Buffer Object，IBO)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。

  着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序。着色器是使用一种叫GLSL的类C语言写成的。GLSL是为图形计算量身定制的，它包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。
  GLSL也有两种容器类型，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)。向量这一数据类型也允许一些有趣而灵活的分量选择方式，叫做重组(Swizzling)。
  每个着色器都有输入和输出，这样才能进行数据交流和传递。GLSL定义了in和out关键字专门来实现这个目的。每个着色器使用这两个关键字设定输入和输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，它就会传递下去。但在顶点和片段着色器中会有点不同。
  Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。首先，uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。第二，无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。
  因为OpenGL在其核心是一个C库，所以它不支持类型重载，在函数参数不同的时候就要为其定义新的函数。

> 纹理
  纹理是一个2D图片（甚至也有1D、2D、3D的纹理），它可以用来添加物体的细节；你可以想象纹理是一张绘有砖块的纸，无缝折叠贴合到你的3D的房子上，这样你的房子看起来就像有砖墙外表了。
  纹理坐标在x和y轴上，范围为0到1之间（注意我们使用的是2D纹理图像）。使用纹理坐标获取纹理颜色叫做采样(Sampling)。纹理坐标起始于(0, 0)，也就是纹理图片的左下角，终始于(1, 1)，即纹理图片的右上角。

-- 纹理环绕方式(Wrapping) 描述：
GL_REPEAT                 对纹理的默认行为。重复纹理图像。
GL_MIRRORED_REPEAT 和GL_REPEAT一样，但每次重复图片是镜像放置的。
GL_CLAMP_TO_EDGE 纹理坐标会被约束在0到1之间，超出的部分会重复纹理坐标的边缘，产生一种边缘被拉伸的效果。
GL_CLAMP_TO_BORDER 超出的坐标为用户指定的边缘颜色。

-- 纹理过滤
GL_NEAREST（也叫邻近过滤，Nearest Neighbor Filtering）是OpenGL默认的纹理过滤方式。
GL_LINEAR（也叫线性过滤，(Bi)linear Filtering）它会基于纹理坐标附近的纹理像素，计算出一个插值，近似出这些纹理像素之间的颜色。
  OpenGL使用一种叫做多级渐远纹理(Mipmap)的概念。多级渐远纹理背后的理念很简单：距观察者的距离超过一定的阈值，OpenGL会使用不同的多级渐远纹理，即最适合物体的距离的那个。由于距离远，解析度不高也不会被用户注意到。同时，多级渐远纹理另一加分之处是它的性能非常好。

多级渐远纹理级别之间的过滤方式 描述：
GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST 使用最邻近的多级渐远纹理来匹配像素大小，并使用邻近插值进行纹理采样
GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST 使用最邻近的多级渐远纹理级别，并使用线性插值进行采样
GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR 在两个最匹配像素大小的多级渐远纹理之间进行线性插值，使用邻近插值进行采样
GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR        在两个邻近的多级渐远纹理之间使用线性插值，并使用线性插值进行采样

-- 支持多种流行格式的图像加载库SOIL库。
GLSL有一个供纹理对象使用的内建数据类型，叫做采样器(Sampler)，它以纹理类型作为后缀，比如sampler1D、sampler2D、sampler3D。
  能够在一个片段着色器中设置多个纹理。一个纹理的位置值通常称为一个纹理单元(Texture Unit)。一个纹理的默认纹理单元是0，它是默认的激活纹理单元。
  纹理单元的主要目的是让我们在着色器中可以使用多于一个的纹理。通过把纹理单元赋值给采样器，我们可以一次绑定多个纹理，只要我们首先激活对应的纹理单元。

> 变换
静态的物体：如何创建一个物体、着色、加入纹理，给它们一些细节的表现。
动态的物体：使用（多个）矩阵(Matrix)对象可以更好的变换(Transform)一个物体。
  矩阵是一种非常有用的数学工具。向量最基本的定义就是一个方向。矩阵的乘法是一系列乘法和加法组合的结果，它使用到了左侧矩阵的行和右侧矩阵的列。
  向量有一个方向(Direction)和大小(Magnitude，也叫做强度或长度)。使用勾股定理(Pythagoras Theorem)来获取向量的长度(Length)/大小(Magnitude)。用向量来表示位置，表示颜色，甚至是纹理坐标。
  在OpenGL中，由于某些原因我们通常使用4×4的变换矩阵，而其中最重要的原因就是大部分的向量都是4分量的。

  对一个向量进行缩放(Scaling)就是对向量的长度进行缩放，而保持它的方向不变。
  位移(Translation)是在原始向量的基础上加上另一个向量从而获得一个在不同位置的新向量的过程，从而在位移向量基础上移动了原始向量。
  2D或3D空间中的旋转用角(Angle)来表示。角可以是角度制或弧度制的，周角是360角度或2 PI弧度。大多数旋转函数需要用弧度制的角，但幸运的是角度制的角也可以很容易地转化为弧度制的：
 弧度转角度：角度 = 弧度 * (180.0f / PI)
 角度转弧度：弧度 = 角度 * (PI / 180.0f)
  在3D空间中旋转需要定义一个角和一个旋转轴(Rotation Axis)。物体会沿着给定的旋转轴旋转特定角度。如果你想要更形象化的感受，可以试试向下看着一个特定的旋转轴，同时将你的头部旋转一定角度。当2D向量在3D空间中旋转时，我们把旋转轴设为z轴（尝试想象这种情况）。

  向量的w分量也叫齐次坐标。想要从齐次向量得到3D向量，我们可以把x、y和z坐标分别除以w坐标。我们通常不会注意这个问题，因为w分量通常是1.0。使用齐次坐标有几点好处：它允许我们在3D向量上进行位移（如果没有w分量我们是不能位移向量的），而且下一章我们会用w值创建3D视觉效果。如果一个向量的齐次坐标是0，这个坐标就是方向向量(Direction Vector)，因为w坐标是0，这个向量就不能位移（译注：这也就是我们说的不能位移一个方向）。
  使用矩阵进行变换的真正力量在于，根据矩阵之间的乘法，我们可以把多个变换组合到一个矩阵中。
  避免万向节死锁的真正解决方案是使用四元数(Quaternion)，它不仅安全，而且计算更加友好。？？
  OpenGL没有自带任何的矩阵和向量知识，所以我们必须定义自己的数学类和函数。抽象所有的数学细节，专门为OpenGL量身定做的数学库，那就是GLM库。
  GLSL也有mat2和mat3类型从而允许了像向量一样的混合运算。所有数学运算（像是标量-矩阵相乘，矩阵-向量相乘和矩阵-矩阵相乘）在矩阵类型里都可以使用。出现特殊的矩阵运算。OpenGL开发者通常使用一种内部矩阵布局，叫做列主序(Column-major Ordering)布局。
  矩阵在图形领域是一个如此重要的工具了。
 

> 坐标系统

  OpenGL希望在所有顶点着色器运行后，所有我们可见的顶点都变为标准化设备坐标(Normalized Device Coordinate, NDC)。每个顶点的x，y，z坐标都应该在-1.0到1.0之间，超出这个坐标范围的顶点都将不可见.投影(Projection)
  将坐标转换为标准化设备坐标，接着再转化为屏幕坐标的过程通常是分步，也就是类似于流水线那样子，实现的，在流水线里面我们在将对象转换到屏幕空间之前会先将其转换到多个坐标系统(Coordinate System)。将对象的坐标转换到几个过渡坐标系(Intermediate Coordinate System)的优点在于，在这些特定的坐标系统中进行一些操作或运算更加方便和容易，这一点很快将会变得很明显。对我们来说比较重要的总共有5个不同的坐标系统：
 1.局部空间(Local Space，或者称为物体空间(Object Space))
 2.世界空间(World Space)
 3.观察空间(View Space，或者称为视觉空间(Eye Space))
 4.裁剪空间(Clip Space)
 5.屏幕空间(Screen Space)

  为了将坐标从一个坐标系转换到另一个坐标系，我们需要用到几个转换矩阵，最重要的几个分别是模型(Model)、视图(View)、投影(Projection)三个矩阵。首先，顶点坐标开始于局部空间(Local Space)，称为局部坐标(Local Coordinate)，然后经过世界坐标(World Coordinate)，观察坐标(View Coordinate)，裁剪坐标(Clip Coordinate)，并最后以屏幕坐标(Screen Coordinate)结束。
-- 坐标系转换， 整个流程及各个转换过程做了什么：
  1.局部坐标是对象相对于局部原点的坐标；也是对象开始的坐标。
  2.将局部坐标转换为世界坐标，世界坐标是作为一个更大空间范围的坐标系统。这些坐标是相对于世界的原点的。
  3.接下来我们将世界坐标转换为观察坐标，观察坐标是指以摄像机或观察者的角度观察的坐标。
  4.在将坐标处理到观察空间之后，我们需要将其投影到裁剪坐标。裁剪坐标是处理-1.0到1.0范围内并判断哪些顶点将会出现在屏幕上。
  5.最后，我们需要将裁剪坐标转换为屏幕坐标，我们将这一过程成为视口变换(Viewport Transform)。视口变换将位于-1.0到1.0范围的坐标转换到由glViewport函数所定义的坐标范围内。最后转换的坐标将会送到光栅器，由光栅器将其转化为片段。

  物体变换到的最终空间就是世界坐标系，并且你会想让这些物体分散开来摆放(从而显得更真实)。对象的坐标将会从局部坐标转换到世界坐标；该转换是由模型矩阵(Model Matrix)实现的。
  观察空间(View Space)经常被人们称之OpenGL的摄像机(Camera)(所以有时也称为摄像机空间(Camera Space)或视觉空间(Eye Space))。观察空间就是将对象的世界空间的坐标转换为观察者视野前面的坐标。因此观察空间就是从摄像机的角度观察到的空间。观察（视图）矩阵(View Matrix)里，用来将世界坐标转换到观察空间。
  在一个顶点着色器运行的最后，OpenGL期望所有的坐标都能落在一个给定的范围内，且任何在这个范围之外的点都应该被裁剪掉(Clipped)。被裁剪掉的坐标就被忽略了，所以剩下的坐标就将变为屏幕上可见的片段。这也就是裁剪空间(Clip Space)名字的由来。
  为了将顶点坐标从观察空间转换到裁剪空间，我们需要定义一个投影矩阵(Projection Matrix)，它指定了坐标的范围，例如，每个维度都是从-1000到1000。投影矩阵接着会将在它指定的范围内的坐标转换到标准化设备坐标系中(-1.0，1.0)。

  投影矩阵将观察坐标转换为裁剪坐标的过程采用两种不同的方式，每种方式分别定义自己的平截头体。我们可以创建一个正射投影矩阵(Orthographic Projection Matrix)或一个透视投影矩阵(Perspective Projection Matrix)。

  正射投影矩阵，我们利用GLM的构建函数glm::ortho：
glm::ortho(0.0f, 800.0f, 0.0f, 600.0f, 0.1f, 100.0f);
  在GLM中可以这样创建一个透视投影矩阵：

glm::mat4 proj = glm::perspective(45.0f, (float)width/(float)height, 0.1f, 100.0f);

  OpenGL要求所有可见的坐标都落在-1.0到1.0范围内从而作为最后的顶点着色器输出。OpenGL会使用glViewPort内部的参数来将标准化设备坐标映射到屏幕坐标，每个坐标都关联了一个屏幕上的点(在我们的例子中屏幕是800 *600)。这个过程称为视口转换。OpenGL是一个右手坐标系(Right-handed System)。
-- OpenGL右手坐标系，按如下的步骤做：
  张开你的右手使正y轴沿着你的手往上。
  使你的大拇指往右。
  使你的食指往上。
  向下90度弯曲你的中指。
 如果你都正确地做了，那么你的大拇指朝着正x轴方向，食指朝着正y轴方向，中指朝着正z轴方向。如果你用左手来做这些动作，你会发现z轴的方向是相反的。这就是有名的左手坐标系，它被DirectX广泛地使用。注意在标准化设备坐标系中OpenGL使用的是左手坐标系(投影矩阵改变了惯用手的习惯)。
  OpenGL存储它的所有深度信息于Z缓冲区(Z-buffer)中，也被称为深度缓冲区(Depth Buffer)。

> 摄像机(Camera)----
  观察矩阵移动场景。观察矩阵把所有的世界坐标变换到观察坐标，这些新坐标是相对于摄像机的位置和方向的。定义一个摄像机，我们需要一个摄像机在世界空间中的位置、观察的方向、一个指向它的右测的向量以及一个指向它上方的向量。

  不要忘记正z轴是从屏幕指向你的，如果我们希望摄像机向后移动，我们就往z轴正方向移动。
  使用这些摄像机向量我们就可以创建一个LookAt 矩阵了，它在创建摄像机的时候非常有用。使用这个LookAt矩阵坐标观察矩阵可以很高效地把所有世界坐标变换为观察坐标LookAt矩阵就像它的名字表达的那样：它会创建一个观察矩阵looks at(看着)一个给定目标。

  图形和游戏应用通常有回跟踪一个deltaTime变量，它储存渲染上一帧所用的时间。最好的摄像机系统是使用四元数的。

  有三种欧拉角：俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)和滚转角(Roll)，对于我们的摄像机系统来说，我们只关心俯仰角和偏航角。
俯仰角是描述我们如何往上和往下看的角。偏航角表示我们往左和往右看的大小。滚转角代表我们如何翻滚摄像机。每个欧拉角都有一个值来表示，把三个角结合起来我们就能够计算3D空间中任何的旋转了。

> 光照 ，颜色 
  使用(有限的)数字来模拟真实世界中(无限)的颜色，因此并不是所有的现实世界中的颜色都可以用数字来表示。
  在现实生活中看到某一物体的颜色并不是这个物体的真实颜色，而是它所反射(Reflected)的颜色。换句话说，那些不能被物体吸收(Absorb)的颜色(被反射的颜色)就是我们能够感知到的物体的颜色。如果我们将白光照在一个蓝色的玩具上，这个蓝色的玩具会吸收白光中除了蓝色以外的所有颜色，不被吸收的蓝色光被反射到我们的眼中，使我们看到了一个蓝色的玩具。这些颜色反射的规律被直接地运用在图形领域。

> 光照基础 ----冯氏光照模型与Blinn模型
冯氏光照模型(Phong Lighting Model)的主要结构由3个元素组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面(Specular)光照。
  1.环境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情况下，世界上也仍然有一些光亮(月亮、一个来自远处的光)，所以物体永远不会是完全黑暗的。我们使用环境光照来模拟这种情况，也就是无论如何永远都给物体一些颜色。
  2.漫反射光照(Diffuse Lighting)：模拟一个发光物对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型最显著的组成部分。面向光源的一面比其他面会更亮。
  3.镜面光照(Specular Lighting)：模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色，相比于物体的颜色更倾向于光的颜色。

全局照明(Global Illumination)算法。我们需要些什么来计算漫反射光照？
 法向量：一个垂直于顶点表面的向量。
 定向的光线：作为光的位置和片段的位置之间的向量差的方向向量。为了计算这个光线，我们需要光的位置向量和片段的位置向量。
  光的方向向量是光的位置向量与片段的位置向量之间的向量差。对于着色器来说，逆矩阵也是一种开销比较大的操作。

  顶点着色器中的颜色值是只是顶点的颜色值，片段的颜色值是它与周围的颜色值的插值。在顶点着色器中实现的冯氏光照模型叫做Gouraud着色，而不是冯氏着色。记住由于插值，这种光照连起来有点逊色。冯氏着色能产生更平滑的光照效果。

> 材质 
在片段着色器中，我们创建一个结构体(Struct)，来储存物体的材质属性。

> 光照贴图 
  让不同的物体拥有各自不同的材质并对光照做出不同的反应的方法。在光照场景中，通过纹理来呈现一个物体的diffuse颜色，这个做法被称做漫反射贴图(Diffuse texture)(因为3D建模师就是这么称呼这个做法的)。diffuse和specular贴图。
  
> 投光物 
 定向光(directional light)，点光(point light)，聚光(Spotlight)
 随着光线穿越距离的变远使得亮度也相应地减少的现象，通常称之为衰减(Attenuation)。一种随着距离减少亮度的方式是使用线性等式。
 手电筒(Flashlight)是一个坐落在观察者位置的聚光，通常瞄准玩家透视图的前面。基本上说，一个手电筒是一个普通的聚光，但是根据玩家的位置和方向持续的更新它的位置和方向。
 

> 多光源 

  OpenGL 光照的知识，其中包括冯氏照明模型（Phong shading）、光照材质（Materials）、光照图（Lighting maps）以及各种投光物（Light casters）。
  GLSL中的函数与C语言的非常相似，它需要一个函数名、一个返回值类型。并且在调用前必须提前声明。
 

> 加载模型 

纹理映射。图像技术细节。模型加载库，叫做Assimp，全称为Open Asset Import Library。
  Wavefront的obj格式是为了考虑到通用性而设计的一种便于解析的模型格式。建议去Wavefront的Wiki上看看obj文件格式是如何封装的。这会给你形成一个对模型文件格式的一个基本概念和印象。

-- 简化的Assimp生成的模型文件数据结构：
  1.所有的模型、场景数据都包含在scene对象中，如所有的材质和Mesh。同样，场景的根节点引用也包含在这个scene对象中
  2.场景的根节点可能也会包含很多子节点和一个指向保存模型点云数据mMeshes[]的索引集合。根节点上的mMeshes[]里保存了实际了Mesh对象，而每个子节点上的mMesshes[]都只是指向根节点中的mMeshes[]的一个引用(译者注：C/C++称为指针，Java/C#称为引用)
  3.一个Mesh对象本身包含渲染所需的所有相关数据，比如顶点位置、法线向量、纹理坐标、面片及物体的材质
  4.一个Mesh会包含多个面片。一个Face（面片）表示渲染中的一个最基本的形状单位，即图元（基本图元有点、线、三角面片、矩形面片）。一个面片记录了一个图元的顶点索引，通过这个索引，可以在mMeshes[]中寻找到对应的顶点位置数据。顶点数据和索引分开存放，可以便于我们使用缓存（VBO、NBO、TBO、IBO）来高速渲染物体。（详见Hello Triangle）
  5.一个Mesh还会包含一个Material（材质）对象用于指定物体的一些材质属性。如颜色、纹理贴图（漫反射贴图、高光贴图等）

  一般来说，一个模型会由几个子模型/形状组合拼接而成。而模型中的那些子模型/形状就是我们所说的一个网格。一个网格（包含顶点、索引和材质属性）是我们在OpenGL中绘制物体的最小单位。一个模型通常有多个网格组成。
  想要让Assimp使用多线程支持来提高性能，你可以使用Boost库来编译 Assimp。
 
> 网格 
  一个网格(Mesh)代表一个可绘制实体。一个网格应该至少需要一组顶点，每个顶点包含一个位置向量，一个法线向量，一个纹理坐标向量。一个网格也应该包含一个索引绘制用的索引，以纹理（diffuse/specular map）形式表现的材质数据。

> 模型 
  一个模型包含多个网格(Mesh)，一个网格可能带有多个对象。
Assimp最大优点是，它简约的抽象了所加载所有不同格式文件的技术细节，用一行可以做到这一切：
Assimp::Importer importer;
const aiScene* scene = importer.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);

  Assimp的结构，每个节点包含一个网格集合的索引，每个索引指向一个在场景对象中特定的网格位置。我们希望获取这些网格索引，获取每个网格，处理每个网格，然后对其他的节点的子节点做同样的处理。

> 高级OpenGL -> 深度测试 
  深度缓冲就像颜色缓冲(Color Buffer)(存储所有的片段颜色:视觉输出)那样存储每个片段的信息，(通常) 和颜色缓冲区有相同的宽度和高度。
  当深度测试启用的时候， OpenGL 测试深度缓冲区内的深度值。OpenGL 允许我们修改它深度测试使用的比较运算符(comparison operators)。
  在深度缓冲区的值不是线性的屏幕空间 (它们在视图空间投影矩阵应用之前是线性)。值为 0.5 在深度缓冲区并不意味着该对象的 z 值是投影平头截体的中间;顶点的 z 值是实际上相当接近近平面!

  深度冲突(Z-fighting)。深度冲突是深度缓冲区的普遍问题，当对象的距离越远一般越强(因为深度缓冲区在z值非常大的时候没有很高的精度)。

-- 防止深度冲突
第一个也是最重要的技巧是让物体之间不要离得太近，以至于他们的三角形重叠。
另一个技巧是尽可能把近平面设置得远一些。
另外一个技巧是放弃一些性能来得到更高的深度值的精度。

> 模板测试 ----
  模板测试基于另一个缓冲，这个缓冲叫做模板缓冲(Stencil Buffer)，我们被允许在渲染时更新它来获取有意思的效果。每个窗口库都需要为你设置模板缓冲。

  改变模板缓冲的内容实际上就是对模板缓冲进行写入。当使用模板缓冲的时候，你可以随心所欲，但是需要遵守下面的原则：
1.开启模板缓冲写入。
2.渲染物体，更新模板缓冲。
3.关闭模板缓冲写入。
4.渲染（其他）物体，这次基于模板缓冲内容丢弃特定片段。

物体轮廓(Object Outlining)。
  物体轮廓就像它的名字所描述的那样，它能够给每个（或一个）物体创建一个有颜色的边。在策略游戏中当你打算选择一个单位的时候它特别有用。给物体加上轮廓的步骤如下：
1.在绘制物体前，把模板方程设置为GL_ALWAYS，用1更新物体将被渲染的片段。
2.渲染物体，写入模板缓冲。
3.关闭模板写入和深度测试。
4.每个物体放大一点点。
5.使用一个不同的片段着色器用来输出一个纯颜色。
6.再次绘制物体，但只是当它们的片段的模板值不为1时才进行。
7.开启模板写入和深度测试。

后处理（post-processing）过滤比如高斯模糊。shadow volumes的模板缓冲技术渲染实时阴影。

> 混合 ----
  在OpenGL中，物体透明技术通常被叫做混合(Blending)。透明是物体（或物体的一部分）非纯色而是混合色，这种颜色来自于不同浓度的自身颜色和它后面的物体颜色。一个有色玻璃窗就是一种透明物体，玻璃有自身的颜色，但是最终的颜色包含了所有玻璃后面的颜色。这也正是混合这名称的出处，因为我们将多种（来自于不同物体）颜色混合为一个颜色，透明使得我们可以看穿物体。
  当采样纹理边缘的时候，OpenGL在边界值和下一个重复的纹理的值之间进行插值（因为我们把它的放置方式设置成了GL_REPEAT）。高级的技术例如次序无关透明度（order independent transparency）。

> 面剔除(Face culling) ----
  OpenGL允许检查所有正面朝向（Front facing）观察者的面，并渲染它们，而丢弃所有背面朝向（Back facing）的面，这样就节约了我们很多片段着色器的命令（它们很昂贵！）。我们必须告诉OpenGL我们使用的哪个面是正面，哪个面是反面。OpenGL使用一种聪明的手段解决这个问题——分析顶点数据的连接顺序（Winding order）。
  默认情况下，逆时针的顶点连接顺序被定义为三角形的正面。面剔除是OpenGL提高效率的一个强大工具，它使应用节省运算。你必须跟踪下来哪个物体可以使用面剔除，哪些不能。
 

> 帧缓冲 ----

   几种不同类型的屏幕缓冲：用于写入颜色值的颜色缓冲，用于写入深度信息的深度缓冲，以及允许我们基于一些条件丢弃指定片段的模板缓冲。把这几种缓冲结合起来叫做帧缓冲(Framebuffer)，它被储存于内存中。OpenGL给了我们自己定义帧缓冲的自由，我们可以选择性的定义自己的颜色缓冲、深度和模板缓冲。

  帧缓冲对象（简称FBO）。当创建一个附件的时候我们有两种方式可以采用：纹理或渲染缓冲（renderbuffer）对象。使用纹理的好处是，所有渲染操作的结果都会被储存为一个纹理图像。

建构一个完整的帧缓冲必须满足以下条件：
1.我们必须往里面加入至少一个附件（颜色、深度、模板缓冲）。
2.其中至少有一个是颜色附件。
3.所有的附件都应该是已经完全做好的（已经存储在内存之中）。
4.每个缓冲都应该有同样数目的样本。

  离屏渲染（off-screen rendering），就是渲染到一个另外的缓冲中。为了让所有的渲染操作对主窗口产生影响我们必须通过绑定为0来使默认帧缓冲被激活：glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
  在帧缓冲项目中，渲染缓冲对象可以提供一些优化，但更重要的是知道何时使用渲染缓冲对象，何时使用纹理。在单独纹理图像上进行后处理的另一个好处是我们可以从纹理的其他部分进行采样。比如我们可以从当前纹理值的周围采样多个纹理值。创造性地把它们结合起来就能创造出有趣的效果了。
  在一些像Photoshop这样的软件中使用这些kernel作为图像操作工具/过滤器一点都不奇怪.因为掀开可以具有很强的平行处理能力，我们以实时进行针对每个像素的图像操作便相对容易，图像编辑工具因而更经常使用显卡来进行图像处理。

> 立方体贴图 ----
  将多个纹理组合起来映射到一个单一纹理，它就是立方体贴图(Cube Map)。
  方向向量的大小无关紧要。一旦提供了方向，OpenGL就会获取方向向量触碰到立方体表面上的相应的纹理像素（texel），这样就返回了正确的纹理采样值。
  在绘制物体之前，将使用立方体贴图，而在渲染前我们要激活相应的纹理单元并绑定到立方体贴图上，这和普通的2D纹理没什么区别。
  天空盒(Skybox)是一个包裹整个场景的立方体，它由6个图像构成一个环绕的环境，给玩家一种他所在的场景比实际的要大得多的幻觉。比如有些在视频游戏中使用的天空盒的图像是群山、白云或者满天繁星。天空盒实际上就是一个立方体贴图，加载天空盒和之前我们加载立方体贴图的没什么大的不同。
  天空盒绘制在了一个立方体上，我们还需要另一个VAO、VBO以及一组全新的顶点，和任何其他物体一样。立方体贴图用于给3D立方体帖上纹理，可以用立方体的位置作为纹理坐标进行采样。

  顶点着色器输出的Position用来在片段着色器计算观察方向向量。反射贴图（reflection map）、diffuse、specular贴图。环境映射的另一个形式叫做折射(Refraction)，它和反射差不多。折射是光线通过特定材质对光线方向的改变。
  折射可以通过GLSL的内建函数refract来实现，除此之外还需要一个法线向量，一个观察方向和一个两种材质之间的折射指数。一定要注意，出于物理精确的考虑当光线离开物体的时候还要再次进行折射。
  动态环境映射(Dynamic Environment Mapping)。使用环境贴图我们必须为每个物体渲染场景6次，这需要非常大的开销。现代应用尝试尽量使用天空盒子，凡可能预编译立方体贴图就创建少量动态环境贴图。动态环境映射是个非常棒的技术，要想在不降低执行效率的情况下实现它就需要很多巧妙的技巧。

> 高级数据 ---- 
  OpenGL内部为每个目标（target）储存一个缓冲，并基于目标来处理不同的缓冲。OpenGL只会帮我们分配内存，而不会填充它。把数据传进缓冲另一个方式是向缓冲内存请求一个指针，你自己直接把数据复制到缓冲中。

> 高级GLSL ----
  内建变量(Built-in Variable)、组织着色器输入和输出的新方式以及一个叫做uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的非常有用的工具。

可用于渲染的基本图形(primitive)是GL_POINTS，使用它每个顶点作为一个基本图形，被渲染为一个点(point)。
 深度测试，gl_FragCoord向量的z元素和特定的fragment的深度值相等。也可以使用这个向量的x和y元素来实现一些有趣的效果。
 OpenGL为我们提供了一个叫做uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具，使我们能够声明一系列的全局uniform变量， 它们会在几个着色器程序中保持一致。当时用uniform缓冲的对象时相关的uniform只能设置一次。我们仍需为每个着色器手工设置唯一的uniform。创建和配置一个uniform缓冲对象需要费点功夫。
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (std140) uniform Matrices
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
};

uniform mat4 model;
void main()
{
   //投影(projection)、视图(view)和模型(model)矩阵。
    gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0);
}

  uniform缓冲对象比单独的uniform有很多好处。第一，一次设置多个uniform比一次设置一个速度快。第二，如果你打算改变一个横跨多个着色器的uniform，在uniform缓冲中只需更改一次。最后一个好处可能不是很明显，使用uniform缓冲对象你可以在着色器中使用更多的uniform。OpenGL有一个对可使用uniform数据的数量的限制，可以用GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS来获取。当使用uniform缓冲对象中，这个限制的阈限会更高。所以无论何时，你达到了uniform的最大使用数量（比如做骨骼动画的时候），你可以使用uniform缓冲对象。

> 几何着色器 ----
  在顶点和片段着色器之间有一个可选的着色器，叫做几何着色器(Geometry Shader)。几何着色器以一个或多个表示为一个单独基本图形（primitive）的顶点作为输入，比如可以是一个点或者三角形。几何着色器在将这些顶点发送到下一个着色阶段之前，可以将这些顶点转变为它认为合适的内容。几何着色器有意思的地方在于它可以把（一个或多个）顶点转变为完全不同的基本图形（primitive），从而生成比原来多得多的顶点。有效的检查一个模型的法线向量是否有错误的方式。
  每个几何着色器开始位置我们需要声明输入的基本图形(primitive)类型，这个输入是我们从顶点着色器中接收到的。我们在in关键字前面声明一个layout标识符。
layout (points) in;
layout (line_strip, max_vertices = 2) out;

> 实例化 ----
  如果我们能够将数据一次发送给GPU，就会更方便，然后告诉OpenGL使用一个绘制函数，将这些数据绘制为多个物体。这就是我们将要展开讨论的实例化(Instancing)。
  实例化是一种只调用一次渲染函数却能绘制出很多物体的技术，它节省渲染物体时从CPU到GPU的通信时间，而且只需做一次即可。要使用实例化渲染，我们必须将glDrawArrays和glDrawElements各自改为glDrawArraysInstanced和glDrawElementsInstanced。这些用于实例化的函数版本需要设置一个额外的参数，叫做实例数量(Instance Count)，它设置我们打算渲染实例的数量。这样我们就只需要把所有需要的数据发送给GPU一次就行了，然后告诉GPU它该如何使用一个函数来绘制所有这些实例。
  在合适的条件下，实例渲染对于你的显卡来说和普通渲染有很大不同。处于这个理由，实例渲染通常用来渲染草、草丛、粒子以及像这样的场景，基本上来讲只要场景中有很多重复物体，使用实例渲染都会获得好处。

> 抗锯齿 -----
 锯齿边(Jagged Edge)出现的原因是由顶点数据像素化之后成为片段的方式所引起的.边是由像素所构成的，这种现象叫做走样(Aliasing)。有很多技术能够减少走样，产生更平滑的边缘，这些技术叫做抗锯齿技术(Anti-aliasing，也被称为反走样技术)。
  超级采样抗锯齿技术(Super Sample Anti-aliasing, SSAA)，它暂时使用一个更高的解析度（以超级采样方式）来渲染场景，当视频输出在帧缓冲中被更新时，解析度便降回原来的普通解析度。这个额外的解析度被用来防止锯齿边。虽然它确实为我们提供了一种解决走样问题的方案，但却由于必须绘制比平时更多的片段而降低了性能。所以这个技术只流行了一段时间。
  这个技术的基础上诞生了更为现代的技术，叫做多采样抗锯齿(Multisample Anti-aliasing)或叫MSAA，虽然它借用了SSAA的理念，但却以更加高效的方式实现了它。它是OpenGL内建的。
  光栅化是你的最终的经处理的顶点和片段着色器之间的所有算法和处理的集合。光栅化将属于一个基本图形的所有顶点转化为一系列片段。顶点坐标理论上可以含有任何坐标，但片段却不是这样，这是因为它们与你的窗口的解析度有关。几乎永远都不会有顶点坐标和片段的一对一映射，所以光栅化必须以某种方式决定每个特定顶点最终结束于哪个片段/屏幕坐标上。
  多采样所做的正是不再使用单一采样点来决定三角形的覆盖范围，而是采用多个采样点。我们不再使用每个像素中心的采样点，取而代之的是4个子样本（subsample），用它们来决定像素的覆盖率。这意味着颜色缓冲的大小也由于每个像素的子样本的增加而增加了。
  不仅颜色值被多采样影响，深度和模板测试也同样使用了多采样点。比如深度测试，顶点的深度值在运行深度测试前被插值到每个子样本中，对于模板测试，我们为每个子样本储存模板值，而不是每个像素。这意味着深度和模板缓冲的大小随着像素子样本的增加也增加了。
  如果我们打算在OpenGL中使用MSAA，那么我们必须使用一个可以为每个像素储存一个以上的颜色值的颜色缓冲(因为多采样需要我们为每个采样点储存一个颜色)。我们这就需要一个新的缓冲类型，它可以储存要求数量的多重采样样本，它叫做多样本缓冲(Multisample Buffer)。
   有两种方式可以创建多采样缓冲，并使其成为帧缓冲的附件：纹理附件和渲染缓冲附件.多采样可以明显提升场景视频输出的质量。
  深究自定义抗锯齿技术的创建细节.

> 高级光照 ----
<未完> https://learnopengl-cn.readthedocs.io/zh/latest/05%20Advanced%20Lighting/01%20Advanced%20Lighting/