OpenGL渲染框架搭建
文章目录
- OpenGL渲染框架搭建
- OpenGL场景控制
- 初始化
- 全局变量
- 键盘控制
- 鼠标控制
- shader控制
- camera控制
- 模型导入
- 虚函数接口和模型基类
- 模型导入
- 渲染流程
OpenGL渲染框架搭建
OpenGL场景控制
初始化
使用的glfw和glad。glad需要将glad.c引入到工程中。
在使用glfw建立窗口后，使用glad获得OpenGL函数地址，可以看到的是一些宏。这样在上下文中就可以使用OpenGL的函数了。
static void init(int WIDTH, int HEIGHT, std::string name)
{
if (glfwInit() == -1)
Error("glfw init failed");
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GL_FALSE);
window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, name.data(), nullptr, nullptr);
if (window == NULL)
{
glfwTerminate();
Error("Failed to create GLFW window");
}
glfwMakeContextCurrent(window);
// 注册回调
glfwInitCallback();
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
Error("Failed to initialize GLAD");
}
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
全局变量
在OpenGL环境中，需要用一些全局变量来控制渲染流程，使用函数的静态变量来进行包装，主要有以下变量。
static bool f[256]; // 键盘数组
static bool firstMouse; // 标志是否第一次进入窗口
static GLfloat lastX; // 上一次的鼠标位置，用于改变相机俯仰角
static GLfloat lastY;
static std::vector<Model *> model_list; // 场景中的模型
static GLFWwindow * window; // glfw窗口
static GLfloat deltaTime; // 时间控制
static GLfloat lastFrame;
键盘控制
函数注册。
static void glfwInitCallback()
{
glfwSetKeyCallback(window, RenderingApp::keyfunc); // 键盘控制
glfwSetCursorPosCallback(window, RenderingApp::mouse_callback); // 鼠标控制
}
控制细节。
// 处理键盘
static void keyfunc(GLFWwindow* window, int key, int scancode, int action, int mode)
{
// 设置键盘数组
if (key == GLFW_KEY_ESCAPE)
return;
if (action == GLFW_PRESS)
{
if (key == GLFW_KEY_Q)
{
glfwSetWindowShouldClose(window, GL_TRUE);
return;
}
for (auto &m : model_list)
m->setKey(key, true);
f[key] = true;
}
else if (action == GLFW_RELEASE)
{
f[key] = false;
for (auto &m : model_list)
m->setKey(key, false);
}
// 设置每个model的键盘事件
for (auto &m : model_list)
{
if (f['W'])
m->getCamera()->ProcessKeyboard(Camera_Movement::FORWARD, deltaTime);
if (f['S'])
m->getCamera()->ProcessKeyboard(Camera_Movement::BACKWARD, deltaTime);
if (f['A'])
m->getCamera()->ProcessKeyboard(Camera_Movement::LEFT, deltaTime);
if (f['D'])
m->getCamera()->ProcessKeyboard(Camera_Movement::RIGHT, deltaTime);
// 切换控制模式，是否隐藏鼠标
if (f['O'])
glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);
if (f['P'])
glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_NORMAL);
}
}
鼠标控制
鼠标控制主要用于改变相机俯仰角，偏航角，以及获得屏幕点（例如可以计算得到对应的三维坐标）
// 处理鼠标
static void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos)
{
if (firstMouse)
{
lastX = xpos;
lastY = ypos;
firstMouse = false;
}
GLfloat xoffset = xpos - lastX;
GLfloat yoffset = lastY - ypos;
lastX = xpos;
lastY = ypos;
// 处理每个model的鼠标事件
for (auto &m : model_list)
{
m->getCamera()->ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);
}
}
shader控制
shader控制主要用于读取shader文本，编译链接，然后供绘制软件使用。
class Shader
{
public:
GLuint Program; // 标识符
// Constructor generates the shader on the fly
Shader(std::string vertexPath, std::string fragmentPath);
// destroy
~Shader();
// Uses the current shader
void Use(); // 使用这个shader
// utility uniform functions
// ------------------------------------------------------------------------
void setBool(const std::string &name, bool value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setInt(const std::string &name, int value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setFloat(const std::string &name, float value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec2(const std::string &name, const glm::vec2 &value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec2(const std::string &name, float x, float y) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec3(const std::string &name, const glm::vec3 &value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec3(const std::string &name, float x, float y, float z) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec4(const std::string &name, const glm::vec4 &value) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setVec4(const std::string &name, float x, float y, float z, float w);
// ------------------------------------------------------------------------
void setMat2(const std::string &name, const glm::mat2 &mat) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setMat3(const std::string &name, const glm::mat3 &mat) const;
// ------------------------------------------------------------------------
void setMat4(const std::string &name, const glm::mat4 &mat) const;
};
camera控制
实现OpenGL中的相机，一个相机包括三个方向向量Front，Right，Up。这三个向量由俯仰角Pitch偏航角Yaw计算出来。相机的view矩阵决定投影变换，view矩阵由两个部分得到，分别是相机位置position和俯仰角pitch和偏航角yaw。
- 键盘控制改变相机的位置
position，沿着Front，Right方向移动，改变view矩阵 - 鼠标移动改变俯仰角
Pitch偏航角Yaw，进而改变view矩阵
class Camera
{
public:
// Camera Attributes
glm::vec3 Position;
glm::vec3 Front;
glm::vec3 Up;
glm::vec3 Right;
glm::vec3 WorldUp;
// Eular Angles
GLfloat Yaw;
GLfloat Pitch;
// Camera options
GLfloat MovementSpeed;
GLfloat MouseSensitivity;
GLfloat Zoom;
// Constructor with vectors
Camera(glm::vec3 position = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3 up = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f), GLfloat yaw = YAW, GLfloat pitch = PITCH);
// Constructor with scalar values
Camera(GLfloat posX, GLfloat posY, GLfloat posZ, GLfloat upX, GLfloat upY, GLfloat upZ, GLfloat yaw, GLfloat pitch);
// Returns the view matrix calculated using Eular Angles and the LookAt Matrix
glm::mat4 GetViewMatrix();
// Processes input received from any keyboard-like input system. Accepts input parameter in the form of camera defined ENUM (to abstract it from windowing systems)
void ProcessKeyboard(Camera_Movement direction, GLfloat deltaTime);
// Processes input received from a mouse input system. Expects the offset value in both the x and y direction.
void ProcessMouseMovement(GLfloat xoffset, GLfloat yoffset, GLboolean constrainPitch = true);
// Processes input received from a mouse scroll-wheel event. Only requires input on the vertical wheel-axis
void ProcessMouseScroll(GLfloat yoffset);
~Camera();
private:
// Calculates the front vector from the Camera's (updated) Eular Angles
void updateCameraVectors();
};
模型导入
虚函数接口和模型基类
- 为了方便统一化，在
OpenGL初始化的绘制函数中，使用同样一个基类指针指向任何类型的模型对象。因此必须提供统一的绘制接口draw函数，不同的模型类只要重写这个虚函数就可以。 - 每个模型应该具有自己的相机和
shader，为了方便共享对象，使用指针来指向对象。 - 每个模型的一些其他信息。
class Model
{
public: // 虚函数
virtual void Draw(){}; // 绘制接口，重写这个函数即可
virtual void bindShader(Shader * shader);
virtual void bindCamera(Camera * camera);
virtual void setKey(int k, bool f);
public: // 返回模型信息的函数
glm::vec3 getBoxMin();
glm::vec3 getBoxMax();
Camera * getCamera();
Shader * getShader();
float getMaxEdge();
void setBoxMax(glm::vec3 bm);
void setBoxMin(glm::vec3 bm);
glm::vec3 getBoxCenter();
public:
Model();
~Model();
void saveImage(); // 保存图片
protected:
Camera * camera;
Shader * shader;
bool key[256]; // 键盘事件
protected:
// 模型本身信息
glm::vec3 box_min = glm::vec3(1e10);
glm::vec3 box_max = glm::vec3(-1e10);
};
模型导入
具体实现模型类时，继承Model类，加入模型读取操作，重写draw函数就可以了。
这里使用的是类似assimp的框架，将每一个group作为一个mesh，拥有自己的材质。一个model由多个mesh组成，材质由model类所有。
struct Vertex {
// position
glm::vec3 Position;
// normal
glm::vec3 Normal;
// texCoords
glm::vec2 TexCoords;
// tangent
//glm::vec3 Tangent;
// bitangent
//glm::vec3 Bitangent;
};
struct Texture {
unsigned int id;
std::string type;
std::string path;
};
struct Matrial
{
glm::vec3 ka;
glm::vec3 kd;
glm::vec3 ks;
float shininess;
std::vector<Texture> texture;
};
// mesh的定义
class Mesh
{
public:
std::vector<Vertex> vertices;
std::vector<unsigned int> indices;
std::vector<Texture> textures;
unsigned int VAO;
std::string meshname;
/*材质属性，如果没有贴图的话*/
glm::vec3 ambient;
glm::vec3 diffuse;
glm::vec3 specular;
float shininess;
Mesh(std::string meshname, std::vector<Vertex> vertices, std::vector<Texture> textures, glm::vec3 ambient, glm::vec3 diffuse, glm::vec3 specular, float shininess);
// render the mesh
void Draw(Shader *shader, bool mode=false, glm::vec3 dcolor=glm::vec3(0));
private:
unsigned int VBO, EBO;
void setupMesh();
};
class meshModel:public Model
{
public:
std::string modelName;
std::string directory;
meshModel(std::string path);
virtual void Draw() override; // 重写的draw函数
protected:
std::string Dir;
void loadMtl(const std::string &mtlname);
std::map<std::string, Matrial> matrial_loaded;
std::map<std::string, unsigned int> texture_map;
std::vector<Mesh> meshes;
unsigned int TextureFromFile(const char *path, bool gamma = false);
};
渲染流程
- 初始化
openGL环境 - 生成模型对象
- 绑定相机
- 绑定
shader对象 - 加入到场景中
- 渲染
#include "glControl.h"
#include "meshModel.h"
int main()
{
PureOpenGL::RenderingApp::init(800, 600, "Pure OpenGL");
PureOpenGL::Model * sModel = new PureOpenGL::meshModel("model/cow.obj");
sModel->bindShader(new Shader("shader/diffuse.vs", "shader/diffuse.fs"));
sModel->bindCamera(new Camera());
PureOpenGL::RenderingApp::addModel(sModel);
PureOpenGL::RenderingApp::run();
return 0;
}
使用以上渲染框架将OpenGL渲染逻辑非常明确的剥离出来，简洁迅速，扩展方便。如下图：
完整的代码见github地址，如有问题，欢迎指正~