在Qt中使用OpenGL（一）

前言

之前一段时间在研究Kinect的深度摄像头，发现了深度摄像头存在一个“点云”模式。
也就是可以将摄像头识别到的深度信息在3D空间以一个一个点的形式给表现出来。
于是想要自己试着渲染一个点云出来。
既然是在3D空间，那么显然需要使用3D相关的技术了。
在Qt中……那就用Qt提供的OpenGL吧。
恰好之前（挺早之前了）我也算是接触过OpenGL的，然而当我查找了一下相关的文档才发现……新的OpenGL已经和我之前了解的OpenGL是两个东西了……
详见LearnOpenGL CN：https://learnopengl-cn.github.io/
新的OpenGL竟然在最简单的例子中要求写shader？
好家伙，直接给我整不会了。
不过没办法，既然需要写shader那就写吧……
于是最终的成品就是如下所示：
距离摄像机越近，点的颜色越红，越远越蓝，适中就是绿色。

Qt中的OpenGL

要怎么说呢，Qt中对OpenGL的使用是进行了很多层的包装的，我尽可能的挑选了Qt原生的对OpenGL的使用方法，也就是继承QOpenGLWidget和QOpenGLExtraFunctions的方案：

大致上，你的用于显示OpenGL渲染结果的窗口，应该是这么一个类，即拥有以下特性：

• 继承QOpenGLWidget和QOpenGLExtraFunctions
• 重载void initializeGL(),void paintGL()还有void resizeGL(int w, int h)三个函数
• 提供一些函数，用于设置你的摄像机的位置与旋转
• 提供一些函数，用于设置你需要显示的内容具体数据（在本例子中，就是提供点云的具体数据。在其他例子中，可能就是提供模型数据了。比如加载模型，卸载模型等）
• 提供一些函数，用于设置你要显示内容的缩放，旋转与位移（在本例子中，就是点云。在其它例子中，可能就是设置加载的模型的缩放，位置，旋转了）

注意：当你需要显示复杂的内容时，就需要额外的编写逻辑，例如模型管理，贴图管理等等。本例子中因为只显示一个点云数据，所以并没有什么复杂的资源管理逻辑，只需要一个顶点缓存用来保存点云数据，然后在有一些矩阵数据保存各种变化矩阵即可。

initializeGL

在void initializeGL()函数中，我们需要对OpenGL进行一定的初始化。
具体来说，就是：

1. 初始化函数指针以便可以使用OpenGL的各种函数。
   Qt帮我们提供了这么一个函数：initializeOpenGLFunctions()只要调用就可以了。如果不调用这个函数，则我们将无法使用OpenGL提供的函数。
2. 启用一些flag
   例如glEnable(GL_DEPTH_TEST)启用深度测试等。深度测试可以让我们在绘制3D图形的时候，总是看到“近处的物体可以挡住远处的物体”这个效果。
3. 进行一些缓存的创建。
   OpenGL使用的时候需要一些缓存对象，顶点队列对象（VAO），顶点缓存对象（VBO）之类的，都可以在初始化的时候进行创建。
   至于什么是VAO，VBO我们之后再说。目前只需要知道OpenGL在3D绘制的时候，其数据的来源，就是来自于这些缓存之中。
4. 初始化shader程序并链接：
   Qt提供了一个类QOpenGLShaderProgram，我们用它就可以了。
   new出来这个类，然后用addShaderFromSourceCode或addShaderFromSourceFile加载你的shader，最后用link函数连接即可。
   至于shader是干什么用的我们之后再说。目前只需要知道shader可以让OpenGL在3D绘制的时候，对数据来源进行一定程度的修改。例如你感受到的3D空间的位置的变化或旋转实际上都是通过shader对要绘制的模型的顶点进行了额外处理模拟出来的，并不是真的存在一个摄像机，而是模拟出来了一个摄像机。
5. 根据需要，如果你要显示的内容是静态的（例如一个静态的模型），那么就可以在初始化的时候加载，否则就需要实时的加载了。我们的点云数据是动态变化的，所以不能初始化加载，而是动态加载。

paintGL

在void paintGL()函数中，我们就可以进行主要的3D绘制逻辑了。
我们主要需要进行以下行为：

1. 清除之前绘制的内容，包含颜色与深度信息

   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   

2. 启用shader，调用bind函数

   m_program->bind();
   

3. 设置shader中的全局数据，例如摄像机矩阵，投影矩阵，每个模型自身的变换矩阵等

	// 设置视图矩阵
	m_view.setToIdentity();
	QVector3D _lookDir{ 0, 0, 1 };
	QVector3D _up{ 0, -1, 0 };
	_lookDir = _lookDir * m_cameraRotate;
	_up = _up * m_cameraRotate;
	m_view.lookAt(m_cameraPos, m_cameraPos + _lookDir, _up);
	m_program->setUniformValue("view", m_view);
	// 设置投影矩阵
	m_program->setUniformValue("projection", m_projection);
	// 针对本模型, 设置模型矩阵
	m_model.setToIdentity();
	m_model *= m_scale;
	m_model *= m_rotate;
	m_model *= m_translate;
	m_program->setUniformValue("model", m_model);

4. 启用顶点队列对象（VAO）

	m_vao.bind();

5. 启用并设置顶点缓存（VBO），即告诉OpenGL当前要绘制的顶点信息和其它信息

	// 绑定本模型需要的顶点缓冲
	m_vbo.bind();
	m_vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
	m_vbo.allocate(m_vertices, m_vertecesCount * 3 * sizeof(float));

6. 将shader与顶点缓存进行对应，即告知OpenGL要如何使用将顶点缓存中的数据转化为shader中的顶点数据

		// 针对本模型, 设置如何渲染
		m_program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, 0);
		m_program->enableAttributeArray(0);

7. 调用OpenGL的绘制函数，绘制顶点缓存中的内容

		// 绘制模型
		glDrawArrays(GL_POINTS, 0, m_vertecesCount);

8. 释放顶点队列对象（VAO）

	m_vao.release();

9. 释放shader

	m_program->release();

其中，第5步和第6步就是动态加载数据的步骤。如果你要显示的内容是静态的（例如一个静态模型），你实际上应该在初始化的时候进行这个操作。注意，初始化的时候也要先启用shader和VAO后在操作，并在最后释放VAO和shader。

总结

说了这么多，实际上我们只是对整个OpenGL的使用流程做了一个最初步的介绍，如果你是第一次接触肯定会依旧感到莫名其妙。
但是不要紧，因为我们现在其实并不需要真的理解，面对复杂的内容，我个人的习惯是首先了解整个流程，然后再找到一个最小样的例来体验这个流程。
目前我们已经了解了整个流程，即初始化然后绘制。
简单来说，就是：

初始阶段：

1. 初始化OpenGL函数
2. 初始化各种flag
3. 创建各种缓存对象
4. 创建并链接shader
5. 启用shader
6. 启用缓存
7. 绑定缓存（加载不变的数据）
8. 绑定shader的缓存数据（告诉OpenGL如何从缓存中读取数据到shader中）
9. 释放缓存
10. 释放shader

绘制阶段：

1. 清屏
2. 启用shader
3. 绑定shader的全局数据（例如摄像机变换矩阵，投影矩阵等）
4. 启用缓存
5. 绑定缓存（加载变化的数据）
6. 绑定shader的缓存数据（告诉OpenGL如何从缓存中读取数据到shader中）
7. 绘制（使用shader读取缓存中的内容，转换为顶点，然后按照命令基于顶点绘制3D数据）
8. 释放缓存
9. 释放shader

根据我们的需求（数据变化与否），我们会在初始化阶段绑定缓存（数据不会变化）或者在绘制阶段绑定缓存（数据会变化）。

注意：可以存在多个缓存。每个缓存可以保存不同的内容（例如不同的模型），根据需要，我们可以在绘制阶段重复4，5，6，7，8步骤以达到绘制不同模型的目的。

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在Qt中使用OpenGL（二）