LearnOpenGL-QT 2). 着色器和三角形绘制

背景

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。

一个简易的徒刑渲染管线示意，其中蓝色部分代表的是我们可以自己编写着色器程序：

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坐标和一些颜色值组成的吧。

为了让OpenGL知道我们的坐标和颜色值构成的到底是什么，OpenGL需要你去指定这些数据所表示的渲染类型。我们是希望把这些数据渲染成一系列的点？一系列的三角形？还是仅仅是一个长长的线？做出的这些提示叫做图元(Primitive)，任何一个绘制指令的调用都将把图元传递给OpenGL。这是其中的几个：GL_POINTS、GL_TRIANGLES、GL_LINE_STRIP。

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)：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。

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。

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(FragmentShader)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。

OpenGL中的一个片段是OpenGL渲染一个像素所需的所有数据。

片段着色器(Fragment Shader) ：主要目的是计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。

Alpha测试和混合(Blending)：这个阶段检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值（后面会讲），用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值（alpha值定义了一个物体的透明度）并对物体进行混合(Blend)。所以，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。

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。

在现代OpenGL中，我们必须定义至少一个顶点着色器和一个片段着色器（因为GPU中没有默认的顶点/片段着色器）。出于这个原因，刚开始学习现代OpenGL的时候可能会非常困难，因为在你能够渲染自己的第一个三角形之前已经需要了解一大堆知识了。在本节结束你最终渲染出你的三角形的时候，你也会了解到非常多的图形编程知识。

着色器程序

着色器程序对象(Shader Program Object)是多个着色器合并之后并最终链接完成的版本。已激活着色器程序的着色器将在我们发送渲染调用的时候被使用。
当链接着色器至一个程序的时候，它会把每个着色器的输出链接到下个着色器的输入。当输出和输入不匹配的时候，你会得到一个连接错误。
下面我们开始创建我们的着色器程序对象：
在widget.h中包含头文件，添加privte成员变量shaderProgram。

QOpenGLShaderProgram shaderProgram;

这样我们就创建了一个着色器程序，但这个程序对象中还没有添加任何着色器，下面我们开始编写自己的着色器程序.

顶点着色器

顶点着色器(Vertex Shader)是几个可编程着色器中的一个。如果我们打算做渲染的话，现代OpenGL需要我们至少设置一个顶点和一个片段着色器。我们会简要介绍一下着色器以及配置两个非常简单的着色器来绘制我们第一个三角形。下一节中我们会更详细的讨论着色器。

我们需要做的第一件事是用着色器语言GLSL(OpenGL Shading Language)编写顶点着色器，然后编译这个着色器，这样我们就可以在程序中使用它了。下面你会看到一个非常基础的GLSL顶点着色器的源代码：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
 
void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
}

下一步，使用in关键字，在顶点着色器中声明所有的输入顶点属性(Input Vertex Attribute)。现在我们只关心位置(Position)数据，所以我们只需要一个顶点属性。GLSL有一个向量数据类型，它包含1到4个float分量，包含的数量可以从它的后缀数字看出来。由于每个顶点都有一个3D坐标，我们就创建一个vec3输入变量aPos。我们同样也通过layout (location = 0)设定了输入变量的位置值(Location)你后面会看到为什么我们会需要这个位置值。

为了设置顶点着色器的输出，我们必须把位置数据赋值给预定义的gl_Position变量，它在幕后是vec4类型的。在main函数的最后，我们将gl_Position设置的值会成为该顶点着色器的输出。由于我们的输入是一个3分量的向量，我们必须把它转换为4分量的。我们可以把vec3的数据作为vec4构造器的参数，同时把w分量设置为1.0f（我们会在后面解释为什么）来完成这一任务。

当前这个顶点着色器可能是我们能想到的最简单的顶点着色器了，因为我们对输入数据什么都没有处理就把它传到着色器的输出了。在真实的程序里输入数据通常都不是标准化设备坐标，所以我们首先必须先把它们转换至OpenGL的可视区域内。

片段着色器

片段着色器(Fragment Shader)是第二个也是最后一个我们打算创建的用于渲染三角形的着色器。片段着色器所做的是计算像素最后的颜色输出。为了让事情更简单，我们的片段着色器将会一直输出橘黄色。

在计算机图形中颜色被表示为有4个元素的数组：红色、绿色、蓝色和alpha(透明度)分量，通常缩写为RGBA。当在OpenGL或GLSL中定义一个颜色的时候，我们把颜色每个分量的强度设置在0.0到1.0之间。比如说我们设置红为1.0f，绿为1.0f，我们会得到两个颜色的混合色，即黄色。这三种颜色分量的不同调配可以生成超过1600万种不同的颜色！

#version 330 core
out vec4 FragColor;
 
void main()
{
    FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
} 

片段着色器只需要一个输出变量，这个变量是一个4分量向量，它表示的是最终的输出颜色，我们应该自己将其计算出来。我们可以用out关键字声明输出变量，这里我们命名为FragColor。下面，我们将一个alpha值为1.0(1.0代表完全不透明)的橘黄色的vec4赋值给颜色输出。

实践

在Qt创建着色器

以顶点着色器为例

鼠标右键项目名——添加新项（Add New）——Qt——Qt Resource File——name【随意：比如shader】——一直next，直到finsh

注意：不能省略上面的步骤

在项目Resources中找到刚创建的shader.qrc——鼠标右键——添加新项（Add New）——GLSL——选择Vertex Shader（Desktop OpenGL）——Choose——name【随意：这里定义为 triangle】——一直next，直到finsh：

然后把我们上面的顶点着色器代码粘贴到triangle.vert中、使用同样的方法再在shader.qrc中添加片段着色器（triangle.frag）代码：

完成之后项目结构如下：

编译着色器

上面我们已经创建了着色器程序以及两个着色器文件，下面我们开始编译链接我们的着色器
我们修改initializeGL()函数为：

void Widget::initializeGL()
{
    this->initializeOpenGLFunctions();        //初始化opengl函数
    if(!shaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex,":/triangle.vert")){     //添加并编译顶点着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果编译出错,打印报错信息
    }
    if(!shaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/triangle.frag")){   //添加并编译片段着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果编译出错,打印报错信息
    }
    if(!shaderProgram.link()){                      //链接着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果链接出错,打印报错信息
    }
}

顶点输入

开始绘制图形之前，我们必须先给OpenGL输入一些顶点数据。OpenGL是一个3D图形库，所以我们在OpenGL中指定的所有坐标都是3D坐标（x、y和z）。OpenGL不是简单地把所有的3D坐标变换为屏幕上的2D像素；OpenGL仅当3D坐标在3个轴（x、y和z）上都为-1.0到1.0的范围内时才处理它。所有在所谓的标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates)范围内的坐标才会最终呈现在屏幕上（在这个范围以外的坐标都不会显示）

标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates, NDC)

一旦你的顶点坐标已经在顶点着色器中处理过，它们就应该是标准化设备坐标了，标准化设备坐标是一个x、y和z值在-1.0到1.0的一小段空间。任何落在范围外的坐标都会被丢弃/裁剪，不会显示在你的屏幕上。下面你会看到我们定义的在标准化设备坐标中的三角形(忽略z轴)：

与通常的屏幕坐标不同，y轴正方向为向上，(0, 0)坐标是这个图像的中心，而不是左上角。最终你希望所有(变换过的)坐标都在这个坐标空间中，否则它们就不可见了。
你的标准化设备坐标接着会变换为屏幕空间坐标(Screen-space Coordinates)，这是使用你通过glViewport函数提供的数据，进行视口变换(Viewport Transform)完成的。所得的屏幕空间坐标又会被变换为片段输入到片段着色器中。

由于我们希望渲染一个三角形，我们一共要指定三个顶点，每个顶点都有一个3D位置。我们会将它们以标准化设备坐标的形式（OpenGL的可见区域）定义为一个float数组。
首先我们添加public成员变量QVector vertices，在构造函数中对顶点数组进行赋值:

private:
    QVector<float> vertices;

Widget::Widget(QWidget *parent)
    : QOpenGLWidget(parent)
{
    vertices={
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f, 0.0f,
         0.0f,  0.5f, 0.0f
    };
}

由于OpenGL是在3D空间中工作的，而我们渲染的是一个2D三角形，我们将它顶点的z坐标设置为0.0。这样子的话三角形每一点的深度(Depth)都是一样的，从而使它看上去像是2D的。

定义这样的顶点数据以后，我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的第一个处理阶段：顶点着色器。它会在GPU上创建内存用于储存我们的顶点数据，还要配置OpenGL如何解释这些内存，并且指定其如何发送给显卡。顶点着色器接着会处理我们在内存中指定数量的顶点。

我们通过顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)管理这个内存，它会在GPU内存（通常被称为显存）中储存大量顶点。使用这些缓冲对象的好处是我们可以一次性的发送一大批数据到显卡上，而不是每个顶点发送一次。从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。

顶点缓冲对象是我们在learn OpenGL with Qt教程中第一个出现的OpenGL对象。下面我们开始创建它
在widget中包含 ，添加private成员变量 VBO，且在构造函数中将VBO初始化为顶点缓冲对象。

QOpenGLBuffer VBO;

Widget::Widget(QWidget *parent) : QOpenGLWidget(parent), VBO(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
{   
    //...
}

下面我们在initializeGL()函数中追加 VBO的创建与分配:

//生成VBO对象
VBO.create();
//将VBO绑定到当前的顶点缓冲对象（QOpenGLBuffer::VertexBuffer）中
VBO.bind();
//将顶点数据分配到VBO中，第一个参数为数据指针，第二个参数为数据的字节长度
VBO.allocate(vertices.data(),sizeof(float)*vertices.size()); 

链接顶点属性

顶点着色器允许我们指定任何以顶点属性为形式的输入。这使其具有很强的灵活性的同时，它还的确意味着我们必须手动指定输入数据的哪一个部分对应顶点着色器的哪一个顶点属性。所以，我们必须在渲染前指定OpenGL该如何解释顶点数据。
我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子：

• 每个位置数据分量被储存为32位（4字节）浮点值。
• 每个位置包含3个这样的值。
• 在这3个值之间没有空隙（或其他值）。这几个值在数组中紧密排列(Tightly Packed)。
• 数据中第一个值在缓冲开始的位置。

有了这些信息我们就可以使用着色器对象的setAttributeBuffer函数告诉OpenGL该如何解析顶点数据（应用到逐个顶点属性上）了：

shaderProgram.setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, sizeof(GLfloat) * 3);
shaderProgram.enableAttributeArray(0);

• 第一个参数指定我们要配置的顶点属性
  还记得我们在顶点着色器中使用layout(location = 0)定义了position顶点属性的位置值(Location)吗？它可以把顶点属性的位置值设置为0。因为我们希望把数据传递到这一个顶点属性中，所以这里我们传入0。
• 第二个参数指定数据的类型
  这里是GL_FLOAT(GLSL中vec*都是由浮点数值组成的)。
• 第三个参数表示位置数据在缓冲中起始位置的偏移量(Offset)
  由于位置数据在数组的开头，所以这里是0。我们会在后面详细解释这个参数。
• 第四个参数指定顶点属性的大小
  顶点属性是一个vec3，它由3个值组成，所以大小是3。
• 第五个参数叫做步长(Stride)
  它告诉我们在连续的顶点属性组之间的间隔。由于下个组位置数据在3个float之后，我们把步长设置为3 * sizeof(GLfloat)。要注意的是由于我们知道这个数组是紧密排列的（在两个顶点属性之间没有空隙）我们也可以设置为0来让OpenGL决定具体步长是多少（只有当数值是紧密排列时才可用）。一旦我们有更多的顶点属性，我们就必须更小心地定义每个顶点属性之间的间隔，我们在后面会看到更多的例子。

每个顶点属性从一个VBO管理的内存中获得它的数据，而具体是从哪个VBO（程序中可以有多个VBO）获取则是通过在调用setAttributeBuffer时绑定到GL_ARRAY_BUFFER的VBO决定的。由于在调用glVertexAttribPointer之前绑定的是先前定义的VBO对象，顶点属性0现在会链接到它的顶点数据。
现在我们已经定义了OpenGL该如何解释顶点数据，并且使用了enableAttributeArray，以顶点属性位置值作为参数，启用顶点属性（顶点属性默认是禁用）。

自此，所有东西都已经设置好了：我们使用一个顶点缓冲对象将顶点数据初始化至缓冲中，建立了一个顶点和一个片段着色器，并告诉了OpenGL如何把顶点数据链接到顶点着色器的顶点属性上。在OpenGL中绘制一个物体，paintGL()的代码会像是这样：

void Widget::paintGL()
{
    this->glClearColor(0.1f,0.5f,0.7f,1.0f);  //设置清屏颜色
    this->glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);       //清除颜色缓存
    shaderProgram.bind();                     //使用shaderProgram着色程序
    this->glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,3);     //使用以0开始，长度为3的顶点数据来绘制三角形
}

然后我们可以运行我们的程序会看到下面的窗口：

至此，完整代码如下：
shader.qrc:triangle.vert:

#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos;

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
}

shader.qrc:triangle.frag:

#version 330 core
out vec4 FragColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
}

widget.h:

#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

class Widget : public QOpenGLWidget,public QOpenGLExtraFunctions
{
    Q_OBJECT

public:
    Widget(QWidget *parent = 0);
    ~Widget();
protected:
    virtual void initializeGL() override;
    virtual void resizeGL(int w,int h) override;
    virtual void paintGL() override;
private:
    QVector<float> vertices;
    QOpenGLShaderProgram shaderProgram;
    QOpenGLBuffer VBO;
    QOpenGLVertexArrayObject VAO;
};

#endif // WIDGET_H

widget.cpp:

#include "widget.h"

Widget::Widget(QWidget *parent)
    : QOpenGLWidget(parent)
    , VBO(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
{
    vertices={
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f, 0.0f,
         0.0f,  0.5f, 0.0f
    };
}

Widget::~Widget()
{}

void Widget::initializeGL()
{
    this->initializeOpenGLFunctions();        //初始化opengl函数
    if(!shaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex,":/shader/triangle.vert")){     //添加并编译顶点着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果编译出错,打印报错信息
    }
    if(!shaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/shader/triangle.frag")){   //添加并编译片段着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果编译出错,打印报错信息
    }
    if(!shaderProgram.link()){                      //链接着色器
        qDebug()<<"ERROR:"<<shaderProgram.log();    //如果链接出错,打印报错信息
    }

//    VAO.create();       //生成VAO对象
//    VAO.bind();         //绑定VAO，之后所以的顶点缓冲对象的操作都会存储到VAO中
    QOpenGLVertexArrayObject::Binder{&VAO};
    VBO.create();       //生成VBO对象
    VBO.bind();         //将VBO绑定到当前的顶点缓冲对象（QOpenGLBuffer::VertexBuffer）中
    //将顶点数据分配到VBO中，第一个参数为数据指针，第二个参数为数据的字节长度
    VBO.allocate(vertices.data(),sizeof(float)*vertices.size());

    shaderProgram.setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, sizeof(GLfloat) * 3);
    shaderProgram.enableAttributeArray(0);

//    VAO.release();      //解绑VAO，安全使用
}

void Widget::resizeGL(int w, int h)
{
    this->glViewport(0,0,w,h);                //定义视口区域
}

void Widget::paintGL()
{
    this->glClearColor(0.1f,0.5f,0.7f,1.0f);  //设置清屏颜色
    this->glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);       //清除颜色缓存
    shaderProgram.bind();                     //使用shaderProgram着色程序
    {
        QOpenGLVertexArrayObject::Binder{&VAO};
        this->glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,3);     //使用以0开始，长度为3的顶点数据来绘制三角形
    }
}

main.cpp:

#include "widget.h"
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);
    Widget w;
    w.show();
    return a.exec();
}

为了能正确编译及加载资源文件，在CmakesLists.txt中加入修改：

• OpenGL支持

find_package(Qt6 REQUIRED COMPONENTS Core Gui OpenGL OpenGLWidgets Widgets)
target_link_libraries(MyQtApp PRIVATE Qt${QT_VERSION_MAJOR}::Widgets
    Qt::Core
    Qt::Gui
    Qt::OpenGL
    Qt::OpenGLWidgets
    Qt::Widgets)

• 资源文件加载

# Resources:
set(shaders_resource_files
    "triangle.vert"
    "triangle.frag"
)

qt6_add_resources(MyQtApp "shader"
    PREFIX
        "/shader"
    FILES
        ${shaders_resource_files}
)

其中，此处将GLSL均放置于QRC资源目录中，并且添加prefix：