初识OpenGL,环境搭建

一. 环境搭建

需要准备资源 GLTools 工具类和libGLTools.a文件 如下：

包含了一个可移动正方块的demo：

https://github.com/TeeMoYan/OpenGLTest.git

1.打开XCode，新建一个项目！ Xcode -> macOS -> Cocoa Application

2.添加 OpenGl.framework GLUT.framework两个系统库

3.添加准备的资源include和libGLTools.a资源

4.在Bulid Settings 输入Header Search path 中拖入include，生成路径

5.删除不同文件

5.创建main.cpp文件    ( c++

6.复制如下代码到main.cpp

#include "GLTools.h"

#include

//程序入口

int main(int argc,char* argv[]){

}

到此环境搭建完成！此时编译将会通过！（注意将include资源和.a放在同一个目录下）

二 . 一些术语

顶点（vertexs）

OpenGL中的图形是有大量的顶点和顶点之间的连线构成的，可以说，顶点是OpenGL图形的基础单元

着色

沿着顶点之间改变颜色值，能够轻松创建关照照射子啊一个立方体上的效果。

纹理贴图

不过是一个用来贴到三角形或多边形上的图片。在GPU上，纹理是快捷有效的

混合

将不同的颜色混在一起

通常着色器分两种：

1顶点着色器（vertex shader）这个是告诉电脑如何打线稿的——如何处理顶点、法线等的数据的小程序。

2片面着色器（fragment shader）这个是告诉电脑如何上色的——如何处理光、阴影、遮挡、环境等等对物体表面的影响，最终生成一副图像的小程序。

 什么叫管线？ 

管线(pipeline),可以理解为渲染流水线。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。

 什么叫固定管线？

可以简单理解为渲染图像的这个过程，我们只能通过调用GLShaderManager类的固定管线效果实现我们一系列的着色器处理。

 什么可编程管线？  

可以简单理解， 在我们处理图形的过程，我们必须使用顶点着色器和片元着色过程。我们可以才有GLSL自行编写着色器程序，来执行这个过程的事情。

 举例：    假设是一家制造肥皂的工厂，如果是固定管线生产，我们投入肥皂水(顶点数据等)通过管线生产出来的可能是比较固化的肥皂,方的、圆的等等。自由性差了许多。 而如果是可编程管线造肥皂，那我们可以在肥皂水倒入磨具过程中，通过程序修改它的造型。比如修改成桃心等。

客户机、服务

管线分为上下2部分，上部分是客户端， 下半部分则是服务端。

客户端是存储在CPU存储 中的，并且在应 程序中执行 ，或者在主系统内存的驱动程序中执行。驱动程序会将渲染命令和数组组合起来，发送给服务 执 !(在 台典型的个 计算机上，服务 就是实际上就是图形加速卡上的硬件和内存)

服务  和 客户机在功能上也是异步的。 它们是各 独 的软件块或硬件块。我们是希望它们2个端都尽 在 停的 作。客户端 断的把数据块和命令块组合在 起输送到缓冲区，然后缓冲区就会发送到服务 执行。

如果服务器停止工 作等待客户机，或者客户机停止工 作来等待服务器 做好接受更多的命令和准备，我们把这种情况成为管线停滞

图上(primitive Assembly说明的是:3个顶点已经组合在 起， 三 形已经逐个 段的进  光栅化。每个 段通过执 元着  进 填充。 元着  会输出我们将屏幕上看到的最终颜 值

我们必须在这之前为着色器 提供数据，否则什么都无法实现!

有3种向OpenGL着  传递渲染数据的 法可供我们选择：

shader的三种变量类型

uniform变量一般用来表示：变换矩阵，材质，光照参数和颜色等信息；如果在vertex和fragment两者之间声明方式完全一样，则它可以在vertex和fragment共享使用；只读常量数据；

attribute变量是只能在vertex shader中使用的变量；一般用attribute变量来表示一些顶点的数据，如：顶点坐标，法线，纹理坐标，顶点颜色等；

属性总是以四维向 的形式进 内部存储的，即使我们 会使 所有的4个分 。 个顶点位置可能存储(x,y,z)，将占有4个分 中的3个。实际上如果是在平 情况下:只要在xy平 上就能绘制，那么Z分 就会 动设置为0;

这 些属性只提供给顶点着  使 ，对于 片元着 木  有太 大意义

纹理 varying变量是vertex和fragment shader之间做数据传递用。一般vertex shader修改varying变量的值，然后fragment shader使用该varying变量的值。因此varying变量在vertex和fragment shader二者之间的声明必须是一致的。application不能使用此变量。

矩阵变换

模型-视图-投影（MVP）矩阵的概念：

模型矩阵--将物体坐标变化成世界坐标

视图矩阵--将世界坐标变换成眼睛坐标

投影矩阵--将眼睛坐标变换成裁剪坐标

在固定管线OpenGL中，模型-视图矩阵可以用glRotatef,glTranslatef,glScalef等函数创建；可编程管线已不可用这些函数，可在应用程序中处理

图元（primitives）

图元可以理解为组成图形的基本单元。比如点、线、三角形。 我们可以通过一系列函数或顶点数据帮助我们实现多种多样的图形。OpenGL中绘制几何图元，必须使用glBegin(GLenum mode)和glEnd()这一对函数!

图元支持类型

阶段1.  顶点 ->图元

几何顶点被组合为图元（点，线段或多边形），然后图元被合成片元，最后片元被转换为帧缓存中的象素数据。

阶段2.  图元  ->片元

图元被分几步转换为片元：图元被适当的裁剪，颜色和纹理数据也相应作出必要的调整，相关的坐标被转换为窗口坐标。最后，光栅化将裁剪好的图元转换为片元。

1） 裁剪

在裁剪时点，线段和多边形处理略微不同。对于点，要么保留原始状态（在裁剪体内部），要么被裁掉（在裁剪体外部）。对于线段和多边形来说，如果部分在裁剪体外部，则需要在裁剪点生成新的几何顶点。对于多边形，还需要在新增的顶点间增加完整的边。不论裁剪了线段还是多边形，都需要给新增几何点赋予边界标志、法线、颜色和纹理坐标信息。

裁剪过程时两步：

a 应用程序指定裁剪（Application-specific clipping），一旦组合图元完成后，如果在程序中用glClipPlane()函数定义了任意的裁剪面，就进行裁剪。

b 视景体裁剪（View volume clipping），随后，图元被投影矩阵投影（进入裁剪坐标系），被相应的视景体裁剪。投影矩阵可以由glFrustum() 或者glOrtho()定义，投影矩阵的操作和上面其他矩阵变换的操作相同。

2） 转换到窗口坐标

裁剪坐标在转换为窗口坐标之前，要除以规格化设备坐标（normalized device coordinates）的w值进行规范化。然后对这些规范化数据进行视口变换（viewport）计算生成窗口坐标。可以用glDepthRange()和glViewport()控制视口大小，决定屏幕上显示图象的区域。

光栅化

光栅化是将一个图元转变为一个二维图象（其实只是布满平面，没有真正的替换帧缓存区）的过程。二维图象上每个点都包含了颜色、深度和纹理数据。将该点和相关信息叫做一个片元（fragment）。（yuyu注：这就是片元和像素之间的关键区别，虽然两者的直观印象都是的像素，但是片元比像素多了许多信息，在光栅化中纹理映射之后图元信息转化为了像素）在这个阶段，对象素绘制和位图进行操作需要用到当前栅格位置（用glRasterPos*()定义）。正如上面讨论的，三种图元的光栅化方法是不同的，另外，象素块和位图也需要光栅化。

官方翻译成栅格化或者像素化。没错，就是把矢量图形转化成像素点儿的过程。我们屏幕上显示的画面都是由像素组成，而三维物体都是点线面构成的。要让点线面，变成能在屏幕上显示的像素，就需要Rasterize这个过程。就是从矢量的点线面的描述，变成像素的描述。

如下图，这是一个放大了1200%的屏幕，前面是告诉计算机我有一个圆形，后面就是计算机把圆形转换成可以显示的像素点。这个过程就是光栅化。

存储着色器的使用

//定义着色器

GLShaderMananger shaderManager;

//初始化着色器

shaderManager.InitalizeStockShaders()

//使用

shaderManager userStockManager(参数列表)

• 单位着色器 UserStockShader(GLT_ATTRIBUTE_VERTEX,GLfloat vColor[4]);

只是简单地使 默认笛卡尔坐标系(坐标范围(-1.0， 1.0))。所有的 段都应 同 种颜 ， 何图形为 实 和未渲染 的。 需要设置存储着 个属性: GLT_ATTRIBUTE_VERTEX(顶点分 ) 参数2:vColor[4],你需要的颜 

 • 平面着色器 

UserStockShader(GLT_SHADER_FLAT,GLfloat mvp[16],GLfloat vColor[4]);

 • 上色着色器 

UserStockShader(GLT_SHADER_SHADED,GLfloat mvp[16]);

 • 默认光源着色器 

UserStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat

• 点光源着色器 

UserStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT_DIEF,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat pMatrix[16],GLfloat vLightPos[3],GLfloat vColor[4]);

 • 纹理替换矩阵 

UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE,GLfloat mvMatrix[16],GLint nTextureUnit);

 • 纹理调整着色器

UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat vColor[4],GLint nTextureUnit);

 • 纹理光源着色器 

UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIEF,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat pMatrix[16],GLfloat vLightPos[3],GLfloat vBaseColor[4],GLint nTextureUnit); 

常用函数

glutInit() 负责初始化GLUT库。它会处理向程序输入的命令行参数，并且移除其中与控制GLUT如何操作相关的部分。它必须是应用程序第一个GLUT函数，负责设置其他GLUT例程必需的数据结构。

glutInitDisplayMode() 设置了程序所使用的窗口类型。窗口设置更多的OpenGL 特性，例如RAGA颜色空间，使用深度缓存或动画效果。

glutInitWindowsSize() 设置所需的窗口大小，如果不想在这个设置一个固定值，也可以先查询显示设备的尺寸，然后根据计算机的屏幕动态设置窗口的大小。

glutCreateWindow(),它的功能和它的名字一样，如果当前的系统环境可以满足glutInitDisplayMode()的显示模式要求，这里就会创建一个窗口（此时会调用计算机窗口系统的接口）。只有GLUT创建了一个窗口之后（其中包含创建创建OpenGL环境的过程），我们才可以使用OpenGL相关的函数

glewInit()函数，属于另一个辅助库GLEW（OpenGL Extention Wrangler）。GLEW可以简化获取函数地址的过程，并且包含了可以跨平台使用的其他一些OpenGL编程方法。

glutDisplayFunc()，它设置了一个显示回调（diplay callback），即GLUT在每次更新窗口内容的时候回自动调用该例程

glutMainLoop()，这是一个无限执行的循环，它会负责一直处理窗口和操作系统的用户输入等操作。（注意：不会执行在glutMainLoop()之后的所有命令。）