向 3D 世界迈出一小步
前言
OpenGL 的学习资料很多，一个是比较著名的 OpenGL 红宝书《OpenGL 编程指南》，可以在这里 http://opengl-redbook.com/ 下载该书配套的源代码；另一个是网络上的在线教程LearnOpenGL。所以，我这里就不再啰啰嗦嗦地介绍 OpenGL 的基础知识和计算机图形学的基础知识了，主要是简单阐述一些我自己的理解，以及写一些能跑起来、能看到效果的体验性的小程序。
通过前一篇阐述，可以看到在 Linux 系统中学习 OpenGL 是多么的方便。使用 GLEW 和 GLFW 库，使用一行简单的 g++ 编译命令，第一个简单的 OpenGL 程序就跑起来了。而上面提到的参考资料，都有让初学者头痛的地方，比如红宝书，它用到了比较少见的 gl3w 库，还用到了 cmake 系统，即使下载了它的源代码，程序也跑不起来。网络教程LearnOpenGL使用的是 GLAD，反正我没有使用成功过。最终，还是 GLEW 和 GLFW 搭配是最顺手的。
前一篇的最后，我们跑起来了一个空的 OpenGL 程序，里面没有渲染任何内容。在这一篇中，我们将向 3D 世界迈出一小步，了解 OpenGL 渲染管线的基本知识，并绘制一些简单的 3D 内容。
我所理解的简单的 3D 图形学知识
要想描述一个 3D 世界，最简单的办法就是描述一些顶点的坐标，（当然还有其它的办法，比如通过数学公式描述的曲线曲面之类的，所以我说描述顶点坐标是最简单的办法。），然后由顶点连接成三角形，再由三角形连接成面，最后，计算机再把这些数据处理成屏幕上像素的颜色，显示成我们看到的图像。
而 OpenGL 通过渲染管线完成这个操作，渲染管线由许多个阶段组成，首先，OpenGL 把我们传递给它的顶点进行坐标变换，把 3D 的坐标对应成屏幕上的点，然后，把这些顶点组装成三角形，然后，对这些三角形内部的像素进行插值，生成片元，最后，对这些片元进行计算，以生成在屏幕上显示的图像。很显然，渲染管线需要使用 GPU 进行加速。
GPU 是典型的众人拾柴火焰高的并行计算架构，它可以同时对成千上万的顶点进行计算，也可以同时对成千上万的片元进行计算。我的这台 XPS 9570，使用的显卡是 GTX 1050Ti，它有 768 个 CUDA 核心，我准备等有钱了再上一个 RTX 3060 显卡的笔记本，据说有 3840 个 CUDA 核心，性能可以一下子提升 5 倍， _。让这些核心运行什么样的任务，是由我们指定的，也就是说，我们要写一些小程序，然后把这些小程序传递给 GPU 核心执行，这些小程序就叫做 Shader。在 OpenGL 的渲染管线中，每一个阶段都对应一个 Shader。
通过上面的描述，我们的工作流程呼之欲出。要想使用 OpenGL 渲染一点有用的东西，我们需要做下面这些工作：1.准备一些顶点数据；2.写一些 Shader 程序，并组装成渲染管线；3.把顶点数据传递给 Shader，让 Shader 处理。
特别需要注意的还有两点：1. 顶点数据可以不仅仅只是坐标，还可以包含法线呀、颜色值呀、纹理坐标呀等数据，还可以包含其它任何我们自定义的数据；2. Shader 是并行执行的，每个 Shader 处理一个顶点的数据，不同的顶点其传入的数据是不同的，可以认为这些数据是逐顶点变量，但是，也可以给所有的 Shader 传递一些统一的值，这些值在所有的 Shader 中是相同的，称之为 Uniform 变量。
这些数据，通过一系列不同的 OpenGL 函数传递给 Shader。
下面开始实战。
准备顶点数据
顶点数据怎么来，这是一个问题。我们可以直接手写三个顶点坐标，在屏幕上渲染一个三角形，同样的方法，也可以手写八个顶点坐标及其颜色值渲染一个颜色立方体。对于一些更复杂的几何图形，比如球体、甜甜圈这样的几何体，只要会一点简单的三角函数，我们自己也可以生成出来。另外，对于一些复杂的、经典的模型，也可以找到它们的出处。比如红宝书中就有一个 armadillo 神兽的 3D 模型，可以在红宝书源代码的github仓库中找到，只不过是作者自创的 vbm 格式，需要自己动手扒一下。再比如 freeglut 中经典的茶壶模型，也可以在freeglut的github仓库中找到，只不过它使用的是贝塞尔曲面的描述方式，这个技术含量就高了那么一点点了。
对于顶点数据的每一个分量（如坐标分量、法向量分量、纹理坐标分量、颜色分量等），我们都可以使用 GLM 库中的vec2、vec3、vec4格式表示，然后组织成 struct，再然后组织成 vector，这是很自然的事情。如果使用到顶点索引，则需要再准备一个索引数组的 vector。再然后，就是 OpenGL 的那一套 API 了，创建 VAO、VBO，如果有索引，再创建 EBO，然后绑定对象，创建 Buffer，绑定 Buffer，向 Buffer 中存入数据，最后使用 DrawArrays() 进行渲染，如果使用到了顶点索引，则使用 DrawElements() 进行渲染。
在这里，我先创建一个 Mesh 类用来对以上流程进行一个封装，并创建 Mesh 类的几个子类，分别生成平面、球体、甜甜圈这几种基本图形，每个顶点具有坐标、法向量、纹理坐标（只有1组纹理坐标）。我把这些结构和类都放到一个文件 mesh.hpp 中，内容如下：
#ifndef __MESH_H__
#define __MESH_H__
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <vector>
#include <string>
#include <GL/glew.h>
struct Vertex{
glm::vec4 position;
glm::vec3 normal;
glm::vec2 texCoord;
};
class Mesh{
protected:
std::vector<Vertex> vertices;
std::vector<GLuint> indices;
GLuint VAO, VBO, EBO;
public:
void generateMesh(int iSlices);
void setup(){
glCreateVertexArrays(1, &VAO);
glBindVertexArray(VAO);
glCreateBuffers(1, &VBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glNamedBufferStorage(VBO, sizeof(Vertex)*vertices.size(), &vertices[0], 0);
glGenBuffers(1, &EBO);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(float)*indices.size(), &indices[0], GL_STATIC_DRAW);
glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, normal));
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, texCoord));
glEnableVertexAttribArray(2);
}
void render(){
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
}
};
class Plane: public Mesh{
public:
void generateMesh(int iSlices){
int n = iSlices + 1;
float s = 2.0f/(float)iSlices;
Vertex temp_vertex;
for(int i=0; i<n; i++){
for(int j=0; j<n; j++){
temp_vertex.position = glm::vec4(s*j - 1.0f, s*i - 1.0f, 0.0f, 1.0f);
temp_vertex.normal = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
temp_vertex.texCoord = glm::vec2(1.0f/(float)iSlices * j, 1.0f/(float)iSlices * i);
vertices.push_back(temp_vertex);
}
}
for(int i=0; i<iSlices; i++){
for(int j=0; j<iSlices; j++){
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
indices.push_back((i+1)*n + j);
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back(i*n + j + 1);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
}
}
}
};
class Sphere: public Mesh{
public:
void generateMesh(int iSlices){
int m = iSlices/2 + 1;
int n = iSlices+1;
float s = 360.0f/(float)iSlices;
glm::vec4 up(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
glm::mat4 I(1.0f);
glm::vec3 X(1.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 Y(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glm::vec3 Z(0.0f, 0.0f, 1.0f);
Vertex temp_vertex;
for(int i=0; i<m; i++){
for(int j=0; j<n; j++){
temp_vertex.position = glm::rotate(I, glm::radians(s*j), Y) * glm::rotate(I, glm::radians(s*i), Z) * up;
temp_vertex.normal = temp_vertex.position;
temp_vertex.texCoord = glm::vec2(1.0f/(float)(n-1) * j, 1.0f/(float)(m-1) * i);
vertices.push_back(temp_vertex);
}
}
for(int i=0; i<m-1; i++){
for(int j=0; j<n-1; j++){
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back((i+1)*n + j);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
indices.push_back(i*n + j + 1);
}
}
}
};
class Torus: public Mesh{
public:
void generateMesh(int iSlices){
int n = iSlices + 1;
float s = -360.0f/(float)iSlices;
glm::vec4 top(0.0f, 0.2f, 0.0f, 1.0f);
glm::vec4 normal_up(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
glm::mat4 I(1.0f);
glm::vec3 X(1.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 Y(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glm::vec3 Z(0.0f, 0.0f, 1.0f);
Vertex temp_vertex;
for(int i=0; i<n; i++){
for(int j=0; j<n; j++){
temp_vertex.position = glm::rotate(I, glm::radians(s*j), Z)
* glm::translate(I, glm::vec3(0.0f, 0.8f, 0.0f))
* glm::rotate(I, glm::radians(s*i), X)
* top;
temp_vertex.normal = glm::rotate(I, glm::radians(s*j), Z)
* glm::rotate(I, glm::radians(s*i), X)
* normal_up;
temp_vertex.texCoord = glm::vec2(1.0f/(float)iSlices * j * 4, 1.0f/(float)iSlices * i);
vertices.push_back(temp_vertex);
}
}
for(int i=0; i<iSlices; i++){
for(int j=0; j<iSlices; j++){
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
indices.push_back((i+1)*n + j);
indices.push_back(i*n + j);
indices.push_back(i*n + j + 1);
indices.push_back((i+1)*n + j+1);
}
}
}
};
#endif
编译和连接 Shader
在 OpenGL 中编译和连接 Shader 的流程是固定的，也就是那几个 API，详细的知识我就不赘述了，基本所有的教材都有，对于简单的程序来说，一个 Vertex Shader 和一个 Fragment Shader 就可以了，至于几何着色器、细分着色器这样的高级知识，等用到的时候再说。关于着色器的编译连接，我也写了一个 Shader 类对它进行了封装，放到了文件 shader.hpp 中，如下：
#ifndef __SHADER_HPP__
#define __SHADER_HPP__
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <GL/glew.h>
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
struct ShaderInfo{
GLenum type;
std::string filename;
GLuint shader_id;
};
class Shader{
private:
GLuint program_id;
public:
Shader(){
program_id = 0;
}
Shader(ShaderInfo* shaders){
if(shaders == nullptr){
program_id = 0;
return;
}
program_id = glCreateProgram();
ShaderInfo* entry = shaders;
//加载并编译Shader
while(entry->type != GL_NONE){
GLuint shader_id = glCreateShader(entry->type);
entry->shader_id = shader_id;
std::ifstream fs(entry->filename);
std::string content((std::istreambuf_iterator<char>(fs)), std::istreambuf_iterator<char>());
if(content.empty()){ //只要有一个Shader文件打不开，就删掉之前创建的所有Shader
std::cerr << "Unable to open file '" << entry->filename << "'" << std::endl;
for ( entry = shaders; entry->type != GL_NONE; ++entry ) {
glDeleteShader( entry->shader_id );
entry->shader_id = 0;
}
return;
}
const GLchar* source = content.c_str();
glShaderSource( shader_id, 1, &source, NULL );
glCompileShader( shader_id );
GLint compiled;
glGetShaderiv( shader_id, GL_COMPILE_STATUS, &compiled );
if ( !compiled ) {//如果Shader编译失败，输出失败原因，便于调试
GLsizei len;
glGetShaderiv( shader_id, GL_INFO_LOG_LENGTH, &len );
GLchar* log = new GLchar[len+1];
glGetShaderInfoLog( shader_id, len, &len, log );
std::cerr << entry->filename << "," << "Shader compilation failed: " << log << std::endl;
delete [] log;
//编译失败，也要删除前面创建的所有Shader
for ( entry = shaders; entry->type != GL_NONE; ++entry ) {
glDeleteShader( entry->shader_id );
entry->shader_id = 0;
}
return ;
}
glAttachShader( program_id, shader_id );
++entry;
}
//进入连接阶段
glLinkProgram( program_id );
GLint linked;
glGetProgramiv( program_id, GL_LINK_STATUS, &linked );
if ( !linked ) {//如果连接失败，则输出调试信息，同样删除之前创建的所有Shader
GLsizei len;
glGetProgramiv( program_id, GL_INFO_LOG_LENGTH, &len );
GLchar* log = new GLchar[len+1];
glGetProgramInfoLog( program_id, len, &len, log );
std::cerr << "Shader linking failed: " << log << std::endl;
delete [] log;
for ( entry = shaders; entry->type != GL_NONE; ++entry ) {
glDeleteShader( entry->shader_id );
entry->shader_id = 0;
}
return;
}
}
GLuint getId(){
return program_id;
}
void setCurrent(){
glUseProgram(program_id);
}
void setModelMatrix(glm::mat4 model_matrix){
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(program_id, "model_matrix"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model_matrix));
}
void setViewMatrix(glm::mat4 view_matrix){
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(program_id, "view_matrix"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view_matrix));
}
void setProjectionMatrix(glm::mat4 projection_matrix){
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(program_id, "projection_matrix"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection_matrix));
}
};
#endif
该 Shader 类还提供了一些向 Shader 中传递 Uniform 变量的方法，最常见的 Uniform 变量就是模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵。
主程序
主程序文件为 SphereWorld.cpp，在该文件中，创建一个 App 类的字类，并在 init 方法中创建一个平面、一个球体、一个甜甜圈，并使用模型矩阵分别将它们进行平移、缩放和旋转，以放到场景中的适当位置，另外，使用视图矩阵将 Camera 放到适当的位置，最后，创建合适的透视投影矩阵，就可以看到非常逼真的三维图像了。在创建和使用这些矩阵的时候，GLM 为我们提供了非常大的方便。目前还没有涉及到光照和纹理，故将 OpenGL 设置为线框模式，这样看起来更加立体。程序代码如下：
#include "../include/app.hpp"
#include "../include/shader.hpp"
#include "../include/mesh.hpp"
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
class MyApp : public App {
private:
const GLfloat clearColor[4] = {0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f};
Plane plane;
Sphere sphere;
Torus torus;
Shader* shaderSphereWorld;
public:
void init(){
ShaderInfo shaders[] = {
{GL_VERTEX_SHADER, "sphereworld.vert"},
{GL_FRAGMENT_SHADER, "sphereworld.frag"},
{GL_NONE, ""}
};
shaderSphereWorld = new Shader(shaders);
plane.generateMesh(20);
plane.setup();
sphere.generateMesh(60);
sphere.setup();
torus.generateMesh(60);
torus.setup();
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LEQUAL);
glPolygonMode( GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE );
}
void display(){
glClearBufferfv(GL_COLOR, 0, clearColor);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glm::mat4 I(1.0f);
glm::vec3 X(1.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 Y(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glm::vec3 Z(0.0f, 0.0f, 1.0f);
float t = (float)glfwGetTime();
glm::mat4 view_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -5.0f))
* glm::rotate(I, t, Y);
glm::mat4 projection_matrix = glm::perspective(glm::radians(45.0f), aspect, 1.0f, 100.0f);
glm::mat4 plane_model_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(0.0f, -1.0f, 0.0f))
* glm::rotate(I, glm::radians(-90.0f), X)
* glm::scale(I, glm::vec3(50.0f, 50.0f, 50.0f));
shaderSphereWorld->setModelMatrix(plane_model_matrix);
shaderSphereWorld->setViewMatrix(view_matrix);
shaderSphereWorld->setProjectionMatrix(projection_matrix);
shaderSphereWorld->setCurrent();
plane.render();
glm::mat4 sphere_model_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.0f))
* glm::scale(I, glm::vec3(0.8f, 0.8f, 0.8f));
shaderSphereWorld->setModelMatrix(sphere_model_matrix);
sphere.render();
glm::mat4 torus_model_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(-1.0f, 0.3f, 0.0f))
* glm::rotate(I, glm::radians(90.0f), Y)
* glm::scale(I, glm::vec3(1.3f, 1.3f, 1.3f));
shaderSphereWorld->setModelMatrix(torus_model_matrix);
torus.render();
}
~MyApp(){
if(shaderSphereWorld != NULL){
delete shaderSphereWorld;
}
}
};
DECLARE_MAIN(MyApp)
我们暂时还没有实现在场景中漫游的功能，所以只能让它自己旋转，以便于我们全方位地观察。在这里，是通过 glfwGetTime() 获取程序运行的时间，并根据时间值来生成视图矩阵来实现这个功能的。
编写 Shader 程序
这里的 Shader 程序是 sphereworld.vert 和 sphereworld.frag，前者是顶点着色器程序，后者是片元着色器程序。都很简单。
sphereworld.vert 文件的内容如下：
#version 460
uniform mat4 model_matrix;
uniform mat4 projection_matrix;
uniform mat4 view_matrix;
layout (location = 0) in vec4 vPosition;
layout (location = 1) in vec3 vNormal;
layout (location = 1) in vec2 vTexCoord;
out vec4 fColor;
out vec3 fNormal;
out vec2 fTexCoord;
out vec4 fPosition;
void main(void)
{
mat4 MV_matrix = view_matrix * model_matrix;
gl_Position = projection_matrix * view_matrix * model_matrix * vPosition;
fPosition = MV_matrix * vPosition;
fNormal = normalize(transpose(inverse(mat3(MV_matrix))) * vNormal);
fTexCoord = vTexCoord;
fColor = vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
}
sphereworld.frag 文件内容如下：
#version 460
layout (location = 0) out vec4 color;
in vec4 fColor;
in vec3 fNormal;
in vec2 fTexCoord;
in vec4 fPosition;
void main(void)
{
color = fColor;
}
最终效果
编译，运行，就可以看到最终的效果了。如下图：
我使用的是 Visual Studio Code。从截图中可以但到 SphereWorld 这个实例的所有文件组成情况。好了，今天就到这里。
版权申明
该随笔由京山游侠在2021年02月07日发布于博客园，引用请注明出处，转载或出版请联系博主。QQ邮箱：1841079@qq.com
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