OpenGL 固定着色器、矩阵变换（三）

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矩阵变换

 

• 模型矩阵

模型矩阵保存了模型顶点坐标由局部坐标系变换到世界坐标系的状态。将物体导入到世界坐标系之后，物体一般会放置在世界坐标系的原点（0, 0, 0），我们一般会将物体相对于世界坐标系以一种角度、大小、位置去放置。而模型矩阵就可以表示这样的变换，可以只经过平移变换来进行，也可以随模型的形态进行设置，例如伸缩、旋转等。

• 视图矩阵

视图矩阵（流程图中的View Matrix），使用矩阵的好处之一是如果你定义了一个坐标空间，里面有3个相互垂直的轴，你可以用这三个轴外加一个平移向量来创建一个矩阵，你可以用这个矩阵乘以任何向量来变换到那个坐标空间，视变换矩阵将物体坐标由世界坐标系转换到相机坐标系。这正是视图矩阵（View Matrix）所做的，有了3个相互垂直的轴和一个定义摄像机空间的位置坐标，我们可以创建一个视图矩阵。

• 投影矩阵

绝大部分显示器都是二维的，所以在显示之前需要OpenGL将3D场景投影到屏幕上成为一个2D图像。这称为投影变换，需要用到投影矩阵(projection matrix)。

顶点坐标经过视图坐标系到投影坐标系需要做两件事：将三维坐标转为二维坐标（通过投影实现）和裁剪（由投影空间决定）。为了将顶点坐标从观察空间转换到投影坐标系，我们需要定义一个投影矩阵(Projection Matrix)，它指定了坐标的范围。

视口变换：视变换是将规范化设备坐标(NDC)转换为屏幕坐标的过程。

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固定着色器

 

固定着色器又称存储着色器，它是OpenGL系统已封装好的具有特定渲染功能的一些代码段，OpenGL在实际调⽤绘制函数之前，需要指定⼀个着⾊器程序，没有着色器，不能进行着色。

OpenGL固定管线下的着色器包括：

单元着色器（GLT_SHADER_IDENTITY）

平面着色器（GLT_SHADER_FLAT）

上色着色器（GLT_SHADER_SHADED）

默认光源着色器（GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT）

点光源着色器（GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIEF）

纹理替换矩阵着色器（GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE）

纹理调整着色器（GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE）

纹理光源着色器（GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIEF）

GLShaderManager移入了GLTool着色器管理器（shader Mananger）类。没有着色器，我们就不能在OpenGL（核心框架）进行着色。着色器管理器不仅允许创建并管理着色器，还提供一组“存储着色器”，它们能够进行一些初步基本的渲染操作。

// 导入色器管理者
#include "GLShaderManager.h" 
// 生命着色器管理者
GLShaderManager shaderManager;
// 初始化着色器管理者
shaderManager.InitializeStockShaders();
// 使用具体的着色器
shaderManager.UseStockShader(GLEnum shader,...)

shader.png

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固定着色器使用

 

• 1、 单元着色器

// 使⽤场景: 绘制的图形所有片段都会以⼀种颜色填充。
// 比如绘制一个纯色的三角形，绘制的图像不能变换：比如移动、伸缩、翻转等。

参数1: GLT_SHADER_IDENTITY - 单元着⾊器
参数2: color[4] - 绘制图形的颜⾊

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_IDENTITY, 
GLfloat color[4]
);

 

• 2、平⾯着色器

// 使⽤场景: 绘制的图形可以应用变换(模型、视图、投影变换).

参数1: GLT_SHADER_FLAT - 平面着⾊器
参数2: mvp[16] - 4维的变化矩阵（可以包含：模型矩阵、视图坐标系、投影矩阵）
参数3: color[4] - 绘制图形的颜⾊

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_FLAT, 
GLfloat mvp[16], 
GLfloat color[4]
);

 

• 3. 上⾊着色器

// 使⽤场景：颜色将会平滑地插⼊到顶点之间，称为平滑着色。
// 绘制图形可以应⽤变换(模型、视图、投影变换)。

参数1: GLT_SHADER_SHADED - 上⾊着⾊器
参数2: mvp[16] - 4维的变化矩阵（可以包含：模型矩阵、视图坐标系、投影矩阵）

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_SHADED, 
GLfloat mvp[16]
);

 

• 4. 默认光源着色器

// 使⽤场景: 这种着⾊器会使绘制的图形产⽣阴影和光照的效果，
// 使渲染的效果更佳3D效果更佳真实，是一种自然光模拟效果，可以想象为太阳光
// 绘制图形可以应用变换(模型、视图、投影变换)， 

参数1: GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT - 默认光源着⾊器
参数2: mvMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数3: pMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数4: color[4] - 绘制图形的颜⾊

GLShaderManager::UseStockShader(
GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, 
GLfloat mvMatrix[16], 
GLfloat pMatrix[16], 
GLfloat color[4]
);

 

• 5. 点光源着⾊器

// 使⽤场景: 这种着⾊色器器会使绘制的图形产⽣阴影和光照的效果。
// 它与默认光源着⾊器⾮常类似，区别只是光源位置可以设定。
// 绘制图形可以应用变换(模型、视图、投影变换) 

参数1: GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIEF - 点光源着⾊器
参数2: mvMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数3: pMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数4: vLightPos[3] - 点光源的位置
参数5: color[4] - 绘制图形的颜⾊

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIEF,
GLfloat mvMatrix[16],
GLfloat pMatrix[16],
GLfloat vLightPos[3],
GLfloat color[4]
);

 

• 6. 纹理替换矩阵着色器

// 使⽤场景: 可以使⽤纹理单元来进⾏颜色填充。
// 绘制图形可以应用变换(模型、视图、投影变换) 

参数1: 存储着⾊器种类-纹理替换矩阵着⾊器
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 纹理单元

参数1: GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE - 纹理替换矩阵着⾊器
参数2: mvpMatrix[16] - 4维的变化矩阵（可以包含：模型矩阵、视图坐标系、投影矩阵）
参数3: nTextureUnit - 纹理单元

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE,
GLfloat mvpMatrix[16],
GLint nTextureUnit
);

 

• 7. 纹理调整着⾊器

// 使⽤场景: 可以使⽤纹理单元来进⾏颜色填充，
// 并且可以使用颜色与纹理进行颜色混合后填充到片段中。
// (着色器将一个基本色乘以一个取自纹理单元的 nTextureUnit 纹理）
// 绘制图形可以应用变换(模型、视图、投影变换) 

参数1: GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE - 纹理调整着⾊器
参数2: mvpMatrix[16] - 4维的变化矩阵（可以包含：模型矩阵、视图坐标系、投影矩阵）
参数3: color[4] - 颜⾊值(几何图形的基本色)
参数4: nTextureUnit - 纹理单元

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE,
GLfloat mvMatrix[16],
GLfloat color[4],
GLint nTextureUnit
);

 

• 8. 纹理光源着⾊器

// 使⽤场景: 可以使⽤纹理单元来进⾏颜色填充，
// 并且可以使用颜色与纹理进行颜色混合后填充到片段中。
// (着色器将一个基本色乘以一个取自纹理单元的 nTextureUnit 纹理）
// 绘制图形可以应用变换(模型、视图、投影变换)。
// 这种着⾊色器器会使绘制的图形产⽣阴影和光照的效果,
// 它与默认光源着⾊器⾮常类似，区别只是光源位置可以设定。

参数1: GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIEF - 纹理光源着⾊器
参数2: mvMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数3: pMatrix[16] - 4维的变化矩阵
参数4: vLightPos[3] - 点光源的位置
参数5: color[4] - 颜⾊值(几何图形的基本色)
参数6: nTextureUnit - 纹理单元

shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIEF,
GLfloat mvMatrix[16],
GLfloat pMatrix[16],
GLfloat vLightPos[3],
GLfloat color[4],
GLint nTextureUnit
);

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