OpenGL初步认识

2018-10-18

技术OpenGL

前言

关于OpenGL的一些基本认识，以下为两个很好的现代OpenGL教程，其链接以及GitHub代码地址如下：

《LearnOpenGL CN》教程地址：https://learnopengl-cn.github.io/，代码库地址：https://github.com/JoeyDeVries/LearnOpenGL
《OpenGL学习脚印》教程地址：https://blog.csdn.net/wangdingqiaoit/article/category/2107037/2, 代码库地址：https://github.com/wangdingqiao/noteForOpenGL

OpenGL的理解

OpenGL（Open Graphics Library）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口。为了跨平台，实际上狭义上的OpenGL只是一个标准，各种硬件公司遵循其标准来生产硬件，在软件层面上按照该标准也有多种代码实现，所以才会类似GLEW、GLUT、GLFW这些库的存在。

OpenGL是一种客户端-服务器（client-server）类型的系统。我们编写的程序就是一个客户端，而我们的计算机图形硬件制造商提供的OpenGL的实现就是服务器。在一些OpenGL的实现里（例如一些和XWindow System相关的应用），客户端和服务器可能会在不同的机器上运行，中间用网络连接。

状态机

OpenGL自身是一个巨大的状态机(State Machine)：一系列的变量描述OpenGL此刻应当如何运行。OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。假设当我们想告诉OpenGL去画线段而不是三角形的时候，我们通过改变一些上下文变量来改变OpenGL状态，从而告诉OpenGL如何去绘图。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段，下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

基本图形绘制方式

1. 传统方式绘制

传统绘制方式在OpenGL新版本中已经废弃，虽然在兼容模式下还能工作，但不建议使用。传统绘制方式的包括以下两方面的内容：

立即模式（Immediate Mode）：使用glBegin…glEnd方式制定绘制方式，在这两个函数对之间给出绘制的数据，固定渲染管线，这种方式称为立即模式
显示列表（Display List）：显示列表是一组存储在一起的OpenGL函数，可以再以后执行。调用一个显示列表时，它所存储的函数就会按照顺序执行。显示列表通过存储OpenGL函数，可以提高性能。如果需要多次重复绘制同一个几何图形，或者如果有一些需要多次调用的用于更改状态的函数，就可以把他们存储在显示列表中。

2. 现代绘制方式

现代的绘制方式主要有三种方法：

顶点数组绘图：使用顶点数组方式，需要利用glEnableClientState开启一些特性，这里开启顶点数组特性使用glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY)。使用顶点数组时，用户定义好存储顶点的数据，在调用glDrawArrays、glDrawElements之类的函数时，通过glVertexPointer设定的指针，传送数据到GPU。当调用完glDrawArrays后，GPU中已经有了绘图所需数据，用户可以释放数据空间。
VBO和VAO绘图：VAO即Vertex Array Object，是一个包含一个或多个VBO的对象，被设计用来存储一个完整被渲染对象所需的信息。VBO即Vertex Buffer Object，是一个在高速视频卡中的内存缓冲，用来保存顶点数据,也可用于包含诸如归一化向量、纹理和索引等数据。
结合Shader绘图

在旧版本的OpenGL中，是通过glVertex，glTexCoord和glNormal函数把每帧数据发送给GPU的。在现代OpenGL中，所有数据必须通过VBO在渲染之前发送给显卡。当你需要渲染某些数据时，通过设置VAO来描述该获取哪些VBO数据推送给shader变量。

3. 各种中绘图方式利弊

使用立即模式，缺点很明显，数据量大一点的话，代码量增加，而且数据发送到服务端需要开销
使用显示列表，显示列表是一个服务端函数，因此它免除了传送数据的额外开销。但是，显示列表一旦编译后，其中的数据无法修改
使用顶点数组，可以减少函数调用和共享顶点数据的冗余。但是，使用顶点数组时，顶点数组相关函数是在客户端，因此数组中数据在每次被解引用时必须重新发送到服务端，额外开销不可忽视
使用VBO在服务端创建缓存对象，并且提供了访问函数来解引用数组，如：例如在顶点数组中使用的函数如glVertexPointer(),glNormalPointer(), glTexCoordPointer()；另外，不像显示列表，VBO中数据可以通过映射到客户端内存空间而被用户读取和更新；VBO的另外一个优势是它像显示列表和纹理一样，能和多个客户端共享缓存对象。可见使用VBO优势很明显

OpenGL pipeline

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的作用：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。

具体到不同版本的OpenGL中pipeline的过程会有不同，现代OpenGL程序中允许用户自己定制着色器，这使得绘图更灵活，下面是一个比较典型的示意图：

其中：顶点着色器和片元着色器是OpenGL整个渲染管线必须要有的过程，其他的着色器可以根据需要进行选择，图元是基本的绘制形状，如点、线、三角形；另外除了第一阶段准备定点数据是在CPU中做，其他的一般都是在GPU中工作的。

opengl pipeline

其中顶点着色器（Vertex Shader）比较重要，通常会有如下作用：

顶点变换根据模型视图和投影矩阵变换
光照计算
纹理坐标变换(纹理矩阵)
材质状态、纹理坐标生成

Shaders

Shaders在现代OpenGL中是个很重要的概念。Shaders是一段GLSL小程序，运行在GPU上而非CPU。它们使用OpenGL Shading Language (GLSL)语言编写，看上去像C或C++，但却是另外一种不同的语言。使用shader就像你写个普通程序一样：写代码，编译，最后链接在一起才生成最终的程序。在旧版本的OpenGL中，shaders是可选的，在现代OpenGL中，为了能在屏幕上显示出物体，shaders是必须的。

Shader的中文是着色器，但是它的作用不仅仅只做着色，shaders实际上干了啥，这取决于是哪种shader。

纹理

要使渲染的物体更加逼真，一方面我们可以使用更多的三角形来建模，通过复杂的模型来逼近物体，但是这种方法会增加绘制流水线的负荷，而且很多情况下不是很方便的。使用纹理，将物体表面的细节映射到建模好的物体表面，这样不仅能使渲染的模型表面细节更丰富，而且比较方便高效。纹理映射就是这样一种方法，在程序中通过为物体指定纹理坐标，通过纹理坐标获取纹理对象中的纹理，最终显示在屏幕区域上，已达到更加逼真的效果。

光照

要模拟现实的光照是困难的，例如实际光照中，一束光可以经过场景中若干物体反射后，照射到目标物体上，也可以是直接照射到目标物体上。其中经过其他物体反射后再次照射到目标物体上，这是一个递归的过程，将会无比复杂。因此实际模拟光照过程中，总是采用近似模型去接近现实光照。Phong Reflection Model是经典的光照模型，它计算光照包括三个部分：环境光+漫反射光+镜面光。

环境光：环境光是场景中光源给定或者全局给定的一个光照常量，它一般很小，主要是为了模拟即使场景中没有光照时，也不是全部黑屏的效果
漫反射光：漫反射光成分，是光照中的一个主要成分，漫反射光强度与光线入射方向和物体表面的法向量之间的夹角相关
镜面反射光：镜面光成分模拟的是物体表面光滑时反射的高亮的光，镜面光反映的通常是光的颜色，而不是物体的颜色，计算镜面光成分时，要考虑光源和顶点位置之间向量L、法向量N、反射方向R、观察者和顶点位置之间的向量V之间的关系

我们实现的光照计算是在片元着色器中进行的，这种是基于片元计算的，称之为Phong
shading，在过去OpenGL编程中实现的是在顶点着色器中进行光照计算,这是基元顶点的计算的，称之为Gouraud Shading。

前言