一步步学习计算机视觉in IOS（四）一个完整的OpenGL工程解析

经过前面几个页面的总结，我们知道了OpenGL渲染的基本知识。现在，就让我们来学习一个完整的OpenGL工程。学习其基本架构吧

main

main函数是OpenGL工程的入口，其负责OpenGL的初始化，runloop的承接等等功能，这部分在大多数的OpenGL工程中是一致的。可以简单的复制粘贴：

int main(int argc, char* argv[])
{
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
//初始化GLUT
    glutInit(&argc, argv); 
/* glutInitDisplayMode 定义显示方式
颜色模式：GLUT_RGBA或者GLUT_RGB。指定一个RGBA窗口，这是一个默认的颜色模式。
缓冲区:  GLUT_SINGLE.单缓冲区窗口; GLUT_DOUBLE.双缓冲区窗口
是否允许深度测试：GLUT_DEPTH
*/
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
// glutInitWindowSize 定义显示窗口大小
    glutInitWindowSize(800,600);
// glutCreateWindow 创建窗口
    glutCreateWindow("OpenGL SphereWorld");
    
// 注册函数指针，这个会在下面细讲
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    glutSpecialFunc(SpeacialKeys);
    
//glewInit 初始化glew库，用来抹平不同平台openGL的差异
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    
 //用户自定义的初始化   
    SetupRC();
 //启动mainloop
    glutMainLoop();    
    return 0;
}

重要函数

数据结构解析

OpenGL提供了一系列数据结构，下面让我们依次解释下面的数据类型和他们提供的函数。

1）管理类

1.1）GLShaderManager 着色器管理器

OpenGL在提交一个几何图形进行渲染之前必须选定一个着色器。对于初学者，我们可以使用GLShaderManager来调用OpenGL提供的一些固定着色器。

GLShaderManager     shaderManager;              // 着色器管理器
//************************
// In SetupRC
shaderManager.InitializeStockShaders();   // 固定的初始化套路
//************************
//In  RenderScene
 shaderManager.UseStockShader(              // 使用平面着色器，后面一般跟着draw方法
GLT_SHADER_FLAT,
transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(),
vFloorColor);

shaderManager.UseStockShader(          // 使用点光源着色器，注意这里不同的着色器后面参数不同
GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIFF, transformPipeline.GetModelViewMatrix(),
transformPipeline.GetProjectionMatrix(), 
vLightPos,
 vTorusColor);

1.2）几何体容器 GLBatch

GLBatch用来管理要渲染的几何体, 其有很多子类，最常用的还是三角形管理类GLTriangleBatch

GLTriangleBatch     sphereBatch;            //小球
GLBatch                floorBatch;          //地板
//************************
// In SetupRC 
// 配置顶点
    floorBatch.Begin(GL_LINES, 324); // 初始化管理器，GL_LINES表示线性图元，324表示有324个顶点
    for(GLfloat x = -20.0; x <= 20.0f; x+= 0.5) {
        floorBatch.Vertex3f(x, -0.55f, 20.0f); // 添加顶点数据
        ......
    }
    floorBatch.End();

    gltMakeSphere(sphereBatch, 0.1f, 26, 13); 直接生成一个球形

//************************
// In RenderScene 
//启动绘制
floorBatch.draw();
sphereBatch.draw();

2) 矩阵相关

首先，我们要知道，在OpenGL的世界里，物体的位置是存储为矩阵的，物体的移动，平移，旋转等等操作是通过矩阵相乘实现的，此外，为了让屏幕上的展示产生立体效果，需要通过透视投影进行转化，这同样是通过透视矩阵 x 位置矩阵来实现的。

2.1）GLMatrixStack 矩阵堆栈

由于矩阵需要做多种操作，OpenGL使用GLMatrixStack矩阵堆栈来存储矩阵。

GLMatrixStack       modelViewMatrix;        // 模型视图矩阵栈
GLMatrixStack       projectionMatrix;       // 投影矩阵栈
//************************
// In RenderScene  
   //加入objectFrame
    modelViewMatrix.PushMatrix(objectFrame);
   //使得大球位置平移(3.0)向屏幕里面
    modelViewMatrix.Translate(0.0f, 0.0f, -3.0f);
    //8.压栈(复制栈顶)
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    //自转
    modelViewMatrix.Rotate(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    //配置GLShaderManager着色器
    //GLBatch开始绘制
   //结果出栈

GLMatrixStack的方法

作为一个堆栈，GLMatrixStack提供了最基本的 push pop 方法：

void PushMatrix(GLFrame& frame)  //GLFrame转成4*4矩阵入栈
void PushMatrix(const M3DMatrix44f mMatrix) //入栈一个4*4矩阵
void PushMatrix(void) //复制栈顶矩阵并再次入栈

void PopMatrix(void) //出栈

我们还可以看到 load方法，它用于替换栈顶矩阵

void LoadMatrix(GLFrame& frame)  //GLFrame转成4*4矩阵替换栈顶矩阵
void LoadMatrix(const M3DMatrix44f mMatrix) //替换栈顶矩阵
void LoadIdentity(void) //一个4*4单位矩阵替换栈顶矩阵

GLMatrixStack的引入就是为了方便计算，它提供了一系列的矩阵处理方法，要注意的是，下面这些操作默认将操作结果替换栈顶矩阵而不是入栈：

第一个就是矩阵相乘MultMatrix

void MultMatrix(const M3DMatrix44f mMatrix) // 栈顶矩阵 x 入参矩阵mMatrix，结果**替换栈顶矩阵**

然后就是依赖矩阵相乘的模型变化：

void Scale(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z) {} // 三向缩放，结果**替换栈顶矩阵**
void Translate(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z) {}// 三向平移，结果**替换栈顶矩阵**
void Rotate(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z) {}// 三向旋转，结果**替换栈顶矩阵**

Example:

LoadMatrix(A)       stack = [A]
PushMatrix()         stack = [A, A]
LoadMatrix(B)       stack = [B, A]
PopMatrix()          stack = [A]


LoadMatrix(A)       stack = [A]
PushMatrix()         stack = [A, A]
MultMatrix(B)       stack = [AB, A] // 
PopMatrix()          stack = [A]

2.2）GLFrustum 视景体和投影矩阵

为了在2D屏幕上产生3D视觉效果，投影变换，或者投影矩阵是必不可少的。投影矩阵的生成是由GLFrustum负责的, 而结果会存在在一个GLMatrixStack projectionMatrix中 ：

GLMatrixStack       projectionMatrix;       // 投影矩阵栈
GLFrustum           viewFrustum;            // 视景体
//************************
// In ChangeSize 视窗size变化是投影矩阵也会变化 (其实ChangeSize函数除了一句设置视口外，都是用来生成，更新和存储投影矩阵)
...
//2.创建投影矩阵
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(nWidth)/float(nHeight), 1.0f, 100.0f);
    //并将其加载到投影矩阵堆栈上
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
...
//************************
// In RenderScene  
// 投影矩阵应用在着色器中 
// transformPipeline.GetProjectionMatrix()
shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIFF, 
transformPipeline.GetModelViewMatrix(),
transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vLightPos, vTorusColor);

GLFrustum中投影矩阵的生成
投影矩阵的生成方法如下：

viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(nWidth)/float(nHeight), 1.0f, 100.0f);
 ->
void SetPerspective(float fFov, float fAspect, float fNear, float fFar)

image.png

fFov是视角，fAspect是要展示的视窗的宽高比，fNear是展示视窗的视距，fFar是远视窗的视距。

2.3）GLGeometryTransform 几何图形变换管道

GLGeometryTransform可以类比成一个存储模型视图矩阵栈和投影矩阵栈的容器。在GLShaderManager中，使用GLGeometryTransform来方便的获取这两个值。

GLMatrixStack       modelViewMatrix;        // 模型视图矩阵栈
GLMatrixStack       projectionMatrix;       // 投影矩阵栈
GLGeometryTransform transformPipeline;      // 几何图形变换管道
//************************
//In ChangeSize
....矩阵栈的初始化
//将两个矩阵栈塞入管道
 transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
//************************
// In RenderScene  
    //在GLShaderManager中使用这两个矩阵栈
shaderManager.UseStockShader(
GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIFF, 
transformPipeline.GetModelViewMatrix(),
 transformPipeline.GetProjectionMatrix(), 
vLightPos, vSphereColor);

2.4）GLFrame 参照帧

一个视图上可能同时存在很多要渲染的几何体，如果我们想实现一个屏幕拉远的功能，对每一个几何体进行直接矩阵操作无疑是一个很浪费的行为。OpenGL可以为渲染角色提供参照帧，或者成为本地对象坐标系。它既可以表示物体，也可以表示观察者：

//角色帧 
GLFrame   cameraFrame;
//照相机角色帧
GLFrame  objectFrame;

//**添加附加随机球
#define NUM_SPHERES 50
GLFrame spheres[NUM_SPHERES];

//************************
// In SetupRC 
// 将物体坐标前移5f（在z轴上移动，MoveForward值越大，物体视图越小，表示距离观察者越远）
 objectFrame.MoveForward(5.0f);

for (int i = 0; i < NUM_SPHERES; i++) {
        
        //y轴不变，X,Z产生随机值
        GLfloat x = ((GLfloat)((rand() % 400) - 200 ) * 0.1f);
        GLfloat z = ((GLfloat)((rand() % 400) - 200 ) * 0.1f);
        
        //在y方向，将球体设置为0.0的位置，这使得它们看起来是飘浮在眼睛的高度
        //对spheres数组中的每一个顶点，设置frame的顶点数据
        spheres[i].SetOrigin(x, 2.0f, z);
    }

//************************
// In RenderScene  
 //加入objectFrame
    modelViewMatrix.PushMatrix(objectFrame);
.....一系列矩阵变换

void SetupRC()

SetupRC用来初始化渲染配置，在程序运行过程中只会执行一次。
它主要负责GLShaderManager和GLBatch的初始化，顶点数据的生成，GLFrame的调整, 配置处理等操作。

void SetupRC()
{
    //清除颜色
    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
   // GLShaderManager初始化
    shaderManager.InitializeStockShaders();
   //移动渲染物体的参考坐标
    objectFrame.MoveForward(15.0f);
   //开启深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
   //设置GLBatch中的顶点数据
     floorBatch.Begin(GL_LINES, 320);
    for(...) {
        floorBatch.Vertex3f(x, -0.55f, 20.0f);
        .....
    }
    floorBatch.End();
 //使用固定类型直接配置顶点
   gltMakeSphere(torusBatch, 0.4f, 40, 80);
}

void ChangeSize(int nWidth, int nHeight)

当第一次运行，以及视窗大小发生变化时会调用，主要负责视口调整以及新的投影矩阵的生成

//屏幕更改大小或已初始化
void ChangeSize(int nWidth, int nHeight)
{
    //1.设置视口
    glViewport(0, 0, nWidth, nHeight);
    
    //2.创建投影矩阵
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(nWidth)/float(nHeight), 1.0f, 100.0f);
    //viewFrustum.GetProjectionMatrix()  获取viewFrustum投影矩阵
    //并将其加载到投影矩阵堆栈上
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());

    //3.设置变换管道以使用两个矩阵堆栈（变换矩阵modelViewMatrix ，投影矩阵projectionMatrix）
    //初始化GLGeometryTransform 的实例transformPipeline.通过将它的内部指针设置为模型视图矩阵堆栈 和 投影矩阵堆栈实例，来完成初始化
    //当然这个操作也可以在SetupRC 函数中完成，但是在窗口大小改变时或者窗口创建时设置它们并没有坏处。而且这样可以一次性完成矩阵和管线的设置。
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
}

void RenderScene(void)

开始绘制场景时调用，主要负责位置数据想渲染数据的转换，对矩阵地操作主要集中在这个函数中。

 //清除颜色缓存区和深度缓冲区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//配置颜色值
    static GLfloat vTorusColor[] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
//配置光源
    M3DVector4f vLightPos = {0.0f,10.0f,5.0f,1.0f};
  //加入objectFrame
    modelViewMatrix.PushMatrix(objectFrame);
  //使得大球位置平移(3.0)向屏幕里面
    modelViewMatrix.Translate(0.0f, 0.0f, -3.0f);
    //压栈(复制栈顶)
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    //大球自转
    modelViewMatrix.Rotate(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    //指定合适的着色器(点光源着色器)
    shaderManager.UseStockShader(
      GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIFF, 
      transformPipeline.GetModelViewMatrix(),
    transformPipeline.GetProjectionMatrix(), 
    vLightPos, vTorusColor);
  //绘制大球
    torusBatch.Draw();
//绘制完毕则Pop
    modelViewMatrix.PopMatrix();
    //执行缓存区交换
    glutSwapBuffers();
    //完成绘制
    glutPostRedisplay();