OpenGL基本架构知识

OpenGL基本架构知识

环境：Qt Creator + C++

参考书籍：《计算机图形学编程（使用OpenGL和C++)》作者：V.斯科特.戈登 约翰.克莱维吉 （人民邮电出版社）

参考博客：https://blog.csdn.net/weixin_59876363/article/details/122570371

一、绪论

简介

1. OpenGL是什么

   • 用于渲染2D和3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）
   • 提供了多级图形管线和GLSL（高级着色语言）进行模型的像素化
   • 核心库使用c编写，同时支持多种系统和语言

2. 核心模式/可编程管线模式：
   将顶点数据经过管线处理，最终生成显示的像素点。以下为渲染顺序：

   • 顶点着色器：必须自己实现，依靠顶点数据和着色器指令控制顶点的渲染位置和方式
   • 曲面细分着色器：可以在简单图形上生成大量网格图元（常用的是三角）
   • 几何着色器：赋予程序员一次处理一个图元（多个顶点）的能力（常用的是三角）
   • 光栅化：将输入的图元转化成二维图像片段，即像素绘制的片段
   • 片段着色器：为光栅化的像素点指定颜色
   • 测试与混合

3. GLSL运行在GPU上，OS不是总能捕捉运行的错误，通常需要进行GLSL运行日志的打印进行debug

4. GLSL代码加载进入着色器的过程

   • C++获取GLSL着色器代码，可以在文件中读取，也可以硬编码在字符串中
   • 创建OpenGL空着色器对象并将GLSL着色器代码加载进着色器对象（一般至少要提供顶点着色器和片段着色器的代码，其他着色器代码是可选的）
   • 最后使用OpenGL命令编译链接着色器对象，并将该对象加载进硬件

5. QOpenGLWidget提供了三个便捷的虚函数，可以进行重载实现典型的OpenGL任务

   • initializeGL：初始化设置OpenGL资源和状态
   • paintGL：渲染OpenGL场景，widget需要进行实时更新的调用
   • resizeGL：设置OpenGL视口和投影等。widget调整大小时调用

6. 顶点着色器会在GPU上创建内存，通过GL_ARRAY_BUFFER缓冲类型的顶点缓冲对象进行管理，每一个VBO记录了一种状态。

   • 数据：从内存加载顶点缓冲对象（Vertex Buffer Objects ，VBO）到的显存中
   • 规则：通过顶点数组对象（Vertex Array Object，VAO）对顶点数据进行解释

7. OpenGL是一个巨大的状态机，数据输入后，绘制状态参数（材质，光照，连接方式···）决定了输出的图像。OpenGL通过改变上下文变量来改变OpenGL状态，从而告知OpenGL如何绘制图像

8. 在paintGL之外的地方调用绘制函数，没有意义，绘制图像最终将被paintGL()覆盖。如果不想被覆盖则应该使用widget的update()函数进行安排和更新

缓冲区对象

1. 缓冲区绑定流程

   // 1.声明VBO和VAO
   GLuint vao[1];// GLuint实际就是unsigned int
   GLuint vbo[2];
   // 2.创建缓冲区，并将返回的ID存入VAO和VBO
   glGenVertexArrays(1, &VAO);
   glGenBuffers(2, &VBO);// (创建ID的数目, 用来保存返回ID的数组)
   // 3.将VAO和VBO绑定成缓冲区对象
   glBindVertexArray(VAO);
   glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
   // 4. 初始化缓冲区数据
   glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(vertices),vertices,GL_STATIC_DRAW);
   // 5. 告诉GPU如何解释VBO中的属性信息
   glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), nullptr);
   // 6. 启用0号顶点属性
   glEnableVertexAttribArray(0);
   glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float),  (void*)(3 * sizeof(float)));
   glEnableVertexAttribArray(1);
   glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
   glEnableVertexAttribArray(2);
   glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
   // 7. 使用glDrawArrays()绘制对象
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2. 着色器的绑定：每个缓冲区需要有在顶点着色器中声明的相应的顶点属性变量

   layout(location = 0) in vec3 position
   // 位置值为0的顶点属性指针指向的数据，每次抓取3个到position中
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   • layout修饰符是将顶点属性和特定缓冲区关联的方法，这里的0就是绑定的0号ID的VBO
   • in关键字表示顶点属性从缓冲区接收数值
   • vec3的意思是着色器每次调用会抓取三个浮点类型的值，即一个坐标（x, y, z）
   • 变量名称是position

3. 通常把顶点数据放在一个缓冲区中，并把这个缓冲区和着色器中声明的顶点属性相关联

4. 在OpenGL中，缓冲区被包含在顶点缓冲对象（Vertex Buffer Object, VBO)中，VBO在C++/OpenGL应用程序中被声明和实例化。一个场景可能需要很多个VBO，通常我们在初始化的阶段生成并填充若干个VBO，方便后续直接使用。

5. 使用uniform关键字在着色器中声明统一变量

GLSL

1. GLSL（OpenGL Shading Language）使用C语言作为基础高阶着色语言，避免了使用汇编语言或硬件规格语言的复杂性。

   // 典型程序
   #version version_number
   in type in_variable_name;
   in type in_variable_name;
   out type out_variable_name;
   uniform type uniform_name;
   
   void main(){
       out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
   }
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2. OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可以使用，但是可以声明的顶点属性数量存在上限

3. GLSL的容器

   • 向量（Vetor）
     • vecn：n个float类型
     • bvecn：n个boolean类型
     • ivecn：n个intgers类型
     • uvecn：n个无符号整形
     • dvecn：n个double类型
   • 矩阵（Matrix）

4. 向量重组

   vec2 vect = vex2(0.5, 0.7);
   vec4 result = vex4(vect, 0.0, 0.0);
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5. 如果类型和名字都一致，OpenGL可以把不同程序文件变量都链接在一起

   
   #version 330 core
   // 顶点着色器定义和声明变量
   layout (location = 0) in vec3 aPos;
   out vec4 vertexColor;
   void main() {
       gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
       vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0);
   }
   
   
   #version 330 core
   // 片段着色器接受变量
   out vec4 FragColor;
   in vec4 vertexColor;// 接收的变量
   void main() {
       FragColor = vertexColor; 
   }
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   如果将它们封装在单独的资源文件中，使用shaderProgram.addShaderFromSourceFile()函数进行连接，则首行必须是版本号

6. 在paintGL()以外的位置绘制openGL

   makeCurrent();
   // openGL绘制函数
   doneCurrent();
   update();
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   如果不使用上述函数进行包含，绘制的图像将会被paintGL( )覆盖

7. 顶点着色器的输入来源于openGL形式化的数据，使用layout(location = 0)链接到顶点数据，可以在cpu上配置顶点属性

8. GPU和CPU之间的数据传输

   • 使用glGetAttribLocation查村属性位置值
   • 绑定GPU的属性值，告诉它向cpu解析的属性值

   // 1.属性值查询的方式
   shaderProgram.bind();
   // 查询属性位置值,如果查询不到返回-1
   Glint posLocation = shaderProgram.attributeLocation("aPos");
   // 告诉显卡如何解析缓冲里的属性值
   glVertexAttribPointer(posLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3*sizeof(float),(void*)0);
   
   // 2.绑定的方式
   shaderProgram.bind();
   GLint posLocation = 2;
   shaderProgram.bindAttributeLocation("aPos", poslocation);
   glVertexAttribPointer(posLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3*sizeof(float), (void*)0);
   // 开始VAO管理的第三个属性值
   glENableVertexAttribArray(posLocation);
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9. uniform是一种CPU向GPU中着色器发送数据的方式，是全局的Global，可以被任意着色器程序在任意阶段访问

   • 如果声明一个uniform却没有用过，编译器会默认移除这个变量，导致最后编译出的版本中并不会包含它，这可能导致几个非常麻烦的错误
   • OpenGL在其核心是一个c库，所以不支持类型的重载 ，在函数参数类型不同时，需要为其定义新的函数。

10. 在Qt中可以使用QTimer的timeout信号槽，传递一个随着时间改变的值

11. 将顶点着色器中的数据传到片段着色器中

    // 顶点着色器
    #version 330 core
    layout(location = 0) in vec3 aPos;
    layout(location = 1) in vec3 aColor;
    out vec3 ourColor;# 传递的值
    void main(){
        gl_Position = vex4(aPos, 1.0);
        ourColor = aColor;
    }
    
    // 片段着色器
    #version 330 core
    out vec4 FragColor;
    in vec3 ourColor;
    
    void main(){
        FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
    }
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纹理处理

1. 当出现复杂图形绘制时候通常采用纹理贴图采样的方式，即对一个图片进行裁剪后的部分显示

https://blog.csdn.net/weixin_59876363/article/details/122807398