Python之OpenGL笔记(3)：使用OpenGL的图形渲染管线画三角形

• 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)。

有些着色器允许开发者自己配置，这就允许我们用自己写的着色器来替换默认的。这样我们就可以更细致地控制图形渲染管线中的特定部分了，而且因为它们运行在GPU上，所以它们可以给我们节约宝贵的CPU时间。OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言(OpenGL Shading Language, GLSL)写成的。

首先，我们以数组的形式传递3个3D坐标作为图形渲染管线的输入，用来表示一个三角形，这个数组叫做顶点数据(Vertex Data)；顶点数据是一系列顶点的集合。一个顶点(Vertex)是一个3D坐标的数据的集合。而顶点数据是用顶点属性(Vertex Attribute)表示的，它可以包含任何我们想用的数据，但是简单起见，我们还是假定每个顶点只由一个3D位置(译注1)和一些颜色值组成的吧。

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。

可以看到，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。

• OpenGL的渲染管线主要包括：

1. 准备顶点数据（通过VBO、VAO和Vertibute来传递数据给OpenGL）
2. 顶点处理（这里主要由Vertex Shader来完成，从上图中可以看出，它还包括可选的Tessellation和Geometry shader阶段）
3. 顶点后处理（主要包括Clipping,顶点坐标归一化和viewport变换）
4.  Primitive组装(比如3点组装成一个3角形）
5. 光栅化成一个个像素
6. 使用Fragment shader来处理这些像素
7. 采样处理（主要包括Scissor Test, Depth Test, Blending, Stencil Test等）

• Python程序中：

FirstTriangle类 初始化 中设置VBO，VAO并绑定。

渲染类render 中绑定VAO并画三角形。

• 程序代码

"""
glfw_FirstTriangle.py
Author: dalong10
Description: Draw a Triagle, learning OPENGL 
"""
import glutils    #Common OpenGL utilities,see glutils.py
import sys, random, math
import OpenGL
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GL.shaders import *
import numpy 
import numpy as np
import glfw

strVS = """
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;
void main(){
	gl_Position.xyz = vertexPosition_modelspace;
	gl_Position.w = 1.0;
	}
"""

strFS = """
#version 330 core
out vec3 color;
void main(){
	color = vec3(1,0,0);
	}
"""

class FirstTriangle:
    def __init__(self, side):
        self.side = side

        # load shaders
        self.program = glutils.loadShaders(strVS, strFS)
        glUseProgram(self.program)
        
        s = side/1.0
        vertices = [
            -s, -s, 0, 
             s, -s, 0,
             0, s, 0
             ]
                
        # set up vertex array object (VAO)
        self.vao = glGenVertexArrays(1)
        glBindVertexArray(self.vao)
        # set up VBOs
        vertexData = numpy.array(vertices, numpy.float32)
        self.vertexBuffer = glGenBuffers(1)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, self.vertexBuffer)
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 4*len(vertexData), vertexData, 
                     GL_STATIC_DRAW)
        #enable arrays
        self.vertIndex = 0
        glEnableVertexAttribArray(self.vertIndex)
        # set buffers 
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, self.vertexBuffer)
        glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, None)
        # unbind VAO
        glBindVertexArray(0)

    def render(self):
        # use shader
        glUseProgram(self.program)
        # bind VAO
        glBindVertexArray(self.vao)
        # draw
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3)
        # unbind VAO
        glBindVertexArray(0)

if __name__ == '__main__':
    import sys
    import glfw
    import OpenGL.GL as gl
    def on_key(window, key, scancode, action, mods):
        if key == glfw.KEY_ESCAPE and action == glfw.PRESS:
            glfw.set_window_should_close(window,1)

    # Initialize the library
    if not glfw.init():
        sys.exit()

    # Create a windowed mode window and its OpenGL context
    window = glfw.create_window(640, 480, "Hello World", None, None)
    if not window:
        glfw.terminate()
        sys.exit()

    # Make the window's context current
    glfw.make_context_current(window)
    # Install a key handler
    glfw.set_key_callback(window, on_key)

    # Loop until the user closes the window
    while not glfw.window_should_close(window):
        # Render here
        width, height = glfw.get_framebuffer_size(window)
        ratio = width / float(height)
        gl.glViewport(0, 0, width, height)
        gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT)

        gl.glClearColor(0.0,0.0,4.0,0.0)
        firstTriangle0 = FirstTriangle(1.0)
        # render
        firstTriangle0.render()
        # Swap front and back buffers
        glfw.swap_buffers(window)
        # Poll for and process events
        glfw.poll_events()

    glfw.terminate()