openGL绘制地球

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前言

某些类型的对象（例如球体、圆锥体等）具有数学定义，这些定义有助于算法生成。例
如，对于半径为R 的圆，围绕其圆周的点的坐标可以被很好地定义

图1

我们可以系统地使用圆的几何知识来通过算法建立球体模型。我们的策略如下。
（1）在整个球体上，选择表示一系列圆形“水平切片”的精度。见图2 的左侧。
（2）将每个圆形切片的圆周细分为若干个点。见图6.2 的右侧。更多的点和水平切片可
以生成更精确、更平滑的球体模型。在我们的模型中，每个切片将具有相同数量的点。
（3）将顶点分组为三角形。一种方法是逐步遍历顶点，在每一步构建两个三角形。例如，
当我们沿着图6.3 中球体上5 个彩色顶点这一行移动时，对于这5 个顶点中的每一个，我们构建了以相应颜色显示的两个三角形

一、代码

#include "glew/glew.h"
#include "glfw/glfw3.h"
#include "glm/glm.hpp"
#include "glm/gtc/matrix_transform.hpp"
#include "glm/gtc/type_ptr.hpp"
#include "Sphere.h"
#include "Utils.h"
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

static const int screen_width = 1920;
static const int screen_height = 1080;

int width = 0, height = 0;
float aspect = 0.f;
float cameraX = 0.f, cameraY = 0.f, cameraZ = 0.f;
float sphereLocX = 0.f, spherelocY = 0.f, sphereLocZ = 0.f;

GLuint renderingProgram = 0;
static const int numberVAOs = 1;
static const int numberVBOs = 3;
GLuint vao[numberVAOs] = { 0 };
GLuint vbo[numberVBOs] = { 0 };

glm::mat4 mMat(1.f), vMat(1.f), mvMat(1.f), pMat(1.f);
int mvLoc = 0;
int projLoc = 0;
float rotAmt = 0.f;

GLuint earthTextureId = 0;

Sphere earth = Sphere(48);

void setupVertices()
{
	vector<int> ind = earth.getIndices();
	vector<glm::vec3> vert = earth.getVertices();
	vector<glm::vec2> tex = earth.getTexCoords();
	vector<glm::vec3> norm = earth.getNormals();
	vector<glm::vec3> tang = earth.getTangents();

	vector<float> pValues;
	vector<float> tValues;
	vector<float> nValues;

	int numIndices = earth.getNumIndices();
	for (int i=0; i<numIndices; i++)
	{
		pValues.push_back((vert[ind[i]]).x);
		pValues.push_back((vert[ind[i]]).y);
		pValues.push_back((vert[ind[i]]).z);

		tValues.push_back((tex[ind[i]]).s);
		tValues.push_back((tex[ind[i]]).t);

		nValues.push_back((norm[ind[i]]).x);
		nValues.push_back((norm[ind[i]]).y);
		nValues.push_back((norm[ind[i]]).z);
	}

	glGenVertexArrays(numberVAOs, vao);
	glBindVertexArray(vao[0]);

	glGenBuffers(numberVBOs, vbo);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, pValues.size() * 4, &pValues[0], GL_STATIC_DRAW);

	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, tValues.size() * 4, &tValues[0], GL_STATIC_DRAW);

	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[2]);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, nValues.size() * 4, &nValues[0], GL_STATIC_DRAW);
}

void init(GLFWwindow* window)
{
	renderingProgram = Utils::createShaderProgram("vertShader.glsl", "fragShader.glsl");
	cameraX = 0.f, cameraY = 0.f, cameraZ = 6.f;
	sphereLocX = 0.f, spherelocY = 0.f, sphereLocZ = 0.f;
	glfwGetFramebufferSize(window, &width, &height);

	//屏幕坐标和窗口的帧缓冲
	/*GLFW在这里和这里解释文档中的两个坐标系。
		简而言之，窗口坐标是相对于监视器和 / 或窗口的，并且以不一定对应于真实屏幕像素的人造单元给出。 当DPI缩放被激活时（例如，在带有视网膜显示器的Mac上），情况尤其如此。
		与窗口坐标相比，帧缓冲区的大小与像素相关，以便与glViewport OpenGLs要求相匹配。
		请注意，在某些系统上，窗口坐标和像素坐标可以相同，但这不一定是正确的。*/
	aspect = (float)width / (float)height;
	pMat = glm::perspective(glm::radians(45.f), aspect, 0.01f, 1000.f);

	setupVertices();

	earthTextureId = Utils::loadTexture("resource/earth.jpg");
}

void display(GLFWwindow* window, float currentTime)
{
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
	glClearColor(0.1f, 0.2f, 1.f, 1.f);

	//必不可少！！！否则窗口是黑的，不会渲染任何东西
	glUseProgram(renderingProgram);

	mvLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "mv_matrix");
	projLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "proj_matrix");

	//移动相机矩阵:这里必须是-cameraZ，否则相机看不到球体
	vMat = glm::translate(glm::mat4(1.f), glm::vec3(cameraX, cameraY, -cameraZ));
	mMat = glm::translate(glm::mat4(1.f), glm::vec3(sphereLocX, spherelocY, sphereLocZ));
	mMat = glm::rotate(glm::mat4(1.f), currentTime * 0.5f, glm::vec3(0.f, 1.f, 0.f));


	//右乘规则
	//mvMat = mMat * vMat;   //金字塔会离开视口
	mvMat = vMat * mMat;

	//更改一个uniform矩阵变量或数组的值。要更改的uniform变量的位置由location指定，location的值应该由glGetUniformLocation函数返回
	// 将透视矩阵和MV 矩阵复制给相应的统一变量
	/*通过一致变量（uniform修饰的变量）引用将一致变量值传入渲染管线。
	  location : uniform的位置。
	  count : 需要加载数据的数组元素的数量或者需要修改的矩阵的数量。
	  transpose : 指明矩阵是列优先(column major)矩阵（GL_FALSE）还是行优先(row major)矩阵（GL_TRUE）。
	  value : 指向由count个元素的数组的指针。
	*/
	glUniformMatrix4fv(mvLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvMat));
	glUniformMatrix4fv(projLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(pMat));

	//绑定到球体顶点缓冲区
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
	//指定了渲染时索引值为 index 的顶点属性数组的数据格式和位置
	/*Parameters
	index
		指定要修改的顶点属性的索引值

		size
		指定每个顶点属性的组件数量。必须为1、2、3或者4。初始值为4。（梦维：如position是由3个（x, y, z）组成，而颜色是4个（r, g, b, a））

		type
		指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_FIXED, 和 GL_FLOAT，初始值为GL_FLOAT。

		normalized
		指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（GL_TRUE）或者直接转换为固定点值（GL_FALSE）。

		stride
		指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0。

		pointer
		指定一个指针，指向数组中第一个顶点属性的第一个组件。初始值为0。*/
	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
	//启用或禁用通用顶点属性数组,参数0索引和着色器中的layout(location = 0）中的0相对应,顶点位置
	glEnableVertexAttribArray(0);

	//绑定到纹理坐标
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);
	glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
	glEnableVertexAttribArray(1);

	//激活纹理坐标 
	glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, earthTextureId);

	//背面剔除，默认情况下，背面剔除是关闭的
	glEnable(GL_CULL_FACE);
	glFrontFace(GL_CCW);

	glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, earth.getNumIndices());
	//glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, earth.getNumVertices());
}

void window_size_callback(GLFWwindow* window, int newWidth, int newHeight)
{
	glViewport(0, 0, newWidth, newHeight);
	aspect = (float)newWidth / (float)newHeight;
	pMat = glm::perspective(glm::radians(45.f), aspect, 0.01f, 1000.f);
}

int main(int argc, char** argv)
{
	int glfwState = glfwInit();
	if (GLFW_FALSE == glfwState)
	{
		cout << "GLFW initialize failed,invoke glfwInit()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
		glfwTerminate();
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 4);
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 6);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE, GLFW_OPENGL_PROFILE);
	glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GL_TRUE);

	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(screen_width, screen_height, "Sphere Draw", nullptr, nullptr);
	if (!window)
	{
		cout << "GLFW create window failed,invoke glfwCreateWindow()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
		glfwTerminate();
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	glfwMakeContextCurrent(window);

	glfwSetWindowSizeCallback(window, window_size_callback);

	glfwSwapInterval(1);

	int glewState = glewInit();
	if (GLEW_OK != glewState)
	{
		cout << "GLEW initialize failed,invoke glewInit()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
		glfwTerminate();
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	init(window);

	while (!glfwWindowShouldClose(window))
	{
		display(window, (float)glfwGetTime());
		glfwSwapBuffers(window);
		glfwPollEvents();
	}

	glfwDestroyWindow(window);
	glfwTerminate();
	exit(EXIT_SUCCESS);

	return 0;
}

顶点着色器

#version 460 core

layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec2 texCoords;

uniform mat4 mv_matrix;
uniform mat4 proj_matrix;

//uniform sampler2D samp;
layout (binding = 0) uniform sampler2D samp;

//out vec4 color;
out vec2 tc;

void main()
{
	gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(position, 1.f);
	tc = texCoords;
}

片元着色器

#version 460 core

in vec2 tc;
out vec4 color;

uniform mat4 mv_matrix;
uniform mat4 proj_matrix;

layout(binding = 0) uniform sampler2D samp;

void main()
{
	color = texture(samp, tc);
}

二、运行效果

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