OpenGL学习

1.1，状态机-上下文-对象

GPU渲染流程

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。

状态机：变量（描述该如何操作）的大集合

OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文(Context)。

对象（Object）：类似一个结构体

在OpenGL中一个对象是指一些选项的集合，它代表OpenGL状态的一个子集

1.2，创建一个窗口

1.2.1 GLFW-GLAD

GLFW解决操作系统层面的不同

GLAD使代码可以可以用于不同的OpenGL驱动

注意头文件顺序，glad的include中包含了glfw所需的gl.h文件

测试代码：

#include <iostream>

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

//用户调整窗口大小之后的回调
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
	glViewport(0, 0, width, height);
}

//实现输入控制
void processInput(GLFWwindow* window)
{
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)//检查用户是否按下了返回键(Esc)
	{
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
	}
}
int main()
{
	glfwInit();	//初始化GLFW
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);//主版本号(Major)
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);//次版本号(Minor)
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);//核心模式(Core-profile)

	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "learnOpenGL", NULL, NULL);
	if (window == NULL)
	{
		std::cout << "Failed to create GLFW window!\n" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);//创建完窗口我们就可以通知GLFW将我们窗口的上下文设置为当前线程的主上下文了
	
	//初始化glad
	//glad:加载所有OpenGL的函数指针
	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
	{
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}

	//告诉OpenGL渲染窗口的大小
	glViewport(0, 0, 800, 600);

	//设置窗口大小变化之后的回调
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

	//渲染循环
	//在窗口结束之前，不断绘制图像，并且能够接收用户的输入
	while (!glfwWindowShouldClose(window))//检查gldw是否被要求退出
	{
		/*
		双缓冲(Double Buffer)
		应用程序使用单缓冲绘图时可能会存在图像闪烁的问题。 这是因为生成的图像不是一下子被绘制出来的，
		而是按照从左到右，由上而下逐像素地绘制而成的。最终图像不是在瞬间显示给用户，而是通过一步一步
		生成的，这会导致渲染的结果很不真实。为了规避这些问题，我们应用双缓冲渲染窗口应用程序。前缓冲
		保存着最终输出的图像，它会在屏幕上显示；而所有的的渲染指令都会在后缓冲上绘制。当所有的渲染指
		令执行完毕后，我们交换(Swap)前缓冲和后缓冲，这样图像就立即呈显出来，之前提到的不真实感就消除了。
		前缓冲区：屏幕上显示的图片
		后缓冲区：正在渲染的图片
		*/
		/*
		当调用glClear函数，清除颜色缓冲之后，整个颜色缓冲都会被填充为glClearColor里所设置的颜色。
		*/
		// 输入
		processInput(window);		//检查是否键盘输入

		//渲染指令
		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);//设置状态
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);//使用状态

		// 检查并调用事件，交换缓冲
		glfwSwapBuffers(window);	//交换颜色缓冲（他是一个存储glfw窗口每一个像素颜色值的大缓冲），他在这一迭代中被用来绘制，并且将作为输出显示在屏幕上
		glfwPollEvents();					//检查有没有触发什么事件，并且调用对应的回调
	}

	glfwTerminate();
	return 0;
}

2.1，渲染管线-VBO-VAO

在学习此节之前，建议将这三个单词先记下来：

顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO
顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO
元素缓冲对象：Element Buffer Object，EBO 或索引缓冲对象 Index Buffer Object，IBO

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）

图形渲染管线可以被划分为两个主要部分：

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。

渲染和shader

渲染由一套渲染管线来管理
shader用来设置一些点线面的位置信息，以及映射图片到纹理这些逻辑，从而拿到图像数据，然后如何处理图像，也可以通过shader来处理。

图形渲染管线可以被划分为几个阶段，每个阶段将会把前一个阶段的输出作为输入。所有这些阶段都是高度专门化的（它们都有一个特定的函数），并且很容易并行执行。正是由于它们具有并行执行的特性，当今大多数显卡都有成千上万的小处理核心，它们在GPU上为每一个（渲染管线）阶段运行各自的小程序，从而在图形渲染管线中快速处理你的数据。这些小程序叫做着色器(Shader)。

图形渲染管线的各个阶段的作用：

1，顶点着色器(Vertex Shader)，它把一个单独的顶点作为输入。顶点着色器主要的目的是把3D坐标转为另一种3D坐标（后面会解释），同时顶点着色器允许我们对顶点属性进行一些基本处理。

2，图元装配(Primitive Assembly)阶段将顶点着色器输出的所有顶点作为输入（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点），并所有的点装配成指定图元的形状；本节例子中是一个三角形。

3，图元装配阶段的输出会传递给几何着色器(Geometry Shader)。几何着色器把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，它可以通过产生新顶点构造出新的（或是其它的）图元来生成其他形状。例子中，它生成了另一个三角形。

4，几何着色器的输出会被传入光栅化阶段(Rasterization Stage)，这里它会把图元映射为最终屏幕上相应的像素，生成供片段着色器(Fragment Shader)使用的片段(Fragment)。在片段着色器运行之前会执行裁切(Clipping)。裁切会丢弃超出你的视图以外的所有像素，用来提升执行效率。

OpenGL中的一个片段是OpenGL渲染一个像素所需的所有数据。

5，片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色，这也是所有OpenGL高级效果产生的地方。通常，片段着色器包含3D场景的数据（比如光照、阴影、光的颜色等等），这些数据可以被用来计算最终像素的颜色。

6，在所有对应颜色值确定以后，最终的对象将会被传到最后一个阶段，我们叫做Alpha测试和混合(Blending)阶段。这个阶段检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值（后面会讲），用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。这个阶段也会检查alpha值（alpha值定义了一个物体的透明度）并对物体进行混合(Blend)。所以，即使在片段着色器中计算出来了一个像素输出的颜色，在渲染多个三角形的时候最后的像素颜色也可能完全不同。

什么是VAO，VBO？

VBO用于存放数据，VAO用于描述数据的属性（如何将数据取出来）

我们的顶点缓冲数据会被解析为下面这样子：

位置数据被储存为32位（4字节）浮点值。
每个位置包含3个这样的值。
在这3个值之间没有空隙（或其他值）。这几个值在数组中紧密排列(Tightly Packed)。
数据中第一个值在缓冲开始的位置。

元素缓冲对象(Element Buffer Object，EBO)，也叫索引缓冲对象(Index Buffer Object，IBO)。

float vertices[] = {
    // 第一个三角形
    0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角
    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角
    -0.5f, 0.5f, 0.0f,  // 左上角
    // 第二个三角形
    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
    -0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角
};

就可以转化成：

float vertices[] = {
    0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角
    0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
    -0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角
};

unsigned int indices[] = {
    // 注意索引从0开始! 
    // 此例的索引(0,1,2,3)就是顶点数组vertices的下标，
    // 这样可以由下标代表顶点组合成矩形

    0, 1, 3, // 第一个三角形
    1, 2, 3  // 第二个三角形
};

着色器程序

着色器程序对象(Shader Program Object)是多个着色器合并之后并最终链接完成的版本。如果要使用刚才编译的着色器我们必须把它们链接(Link)为一个着色器程序对象，然后在渲染对象的时候激活这个着色器程序。已激活着色器程序的着色器将在我们发送渲染调用的时候被使用。

函数理解：

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);

第一个参数指定我们要配置的顶点属性。还记得我们在顶点着色器中使用layout(location = 0)定义了position顶点属性的位置值(Location)吗？它可以把顶点属性的位置值设置为0。因为我们希望把数据传递到这一个顶点属性中，所以这里我们传入0。
第二个参数指定顶点属性的大小。顶点属性是一个vec3，它由3个值组成，所以大小是3。
每个顶点属性从一个VBO管理的内存中获得它的数据，而具体是从哪个VBO（程序中可以有多个VBO）获取则是通过在调用glVertexAttribPointer时绑定到GL_ARRAY_BUFFER的VBO决定的。由于在调用glVertexAttribPointer之前绑定的是先前定义的VBO对象，顶点属性0现在会链接到它的顶点数据。

代码：画一个矩形

// sample_1_1_HelloWindow.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include <iostream>

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>


//顶点着色器
const char* vertexShaderSource ="#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"}\0";

//片段着色器
const char * fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
"}\n\0";

//用户调整窗口大小之后的回调
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
	glViewport(0, 0, width, height);
}

//实现输入控制
void processInput(GLFWwindow* window)
{
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)//检查用户是否按下了返回键(Esc)
	{
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
	}
}
int main()
{
	glfwInit();	//初始化GLFW
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);//主版本号(Major)
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);//次版本号(Minor)
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);//核心模式(Core-profile)

	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "learnOpenGL", NULL, NULL);
	if (window == NULL)
	{
		std::cout << "Failed to create GLFW window!\n" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);//创建完窗口我们就可以通知GLFW将我们窗口的上下文设置为当前线程的主上下文了
	
	//glad:加载所有OpenGL的函数指针
	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
	{
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}

	//告诉OpenGL渲染窗口的大小
	glViewport(0, 0, 800, 600);

	//设置窗口大小变化之后的回调
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

	/************************************************************************/
	/*画一个三角形                                                                      */
	//顶点着色器创建
	//顶点着色器附加源码，并且运行时动态编译它的源代码
	unsigned int vertexShader=glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
	glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
	glCompileShader(vertexShader);
	int success = -1;
	char infoLog[512];
	glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILEED\n" << infoLog << std::endl;
	}

	//片段着色器
	unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
	glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
	glCompileShader(fragmentShader);
	glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMEMT::COMPILATION_FAILEED\n" << infoLog << std::endl;
	}

	//着色器程序,链接着色器
	unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
	glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
	glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
	glLinkProgram(shaderProgram);
	glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
	if (!success)
	{
		glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
		std::cout << "ERROR::PROGRAM::LINK\n" << infoLog << std::endl;
	}
	//把着色器对象链接到程序对象以后，记得删除着色器对象，我们不再需要它们
	glDeleteShader(vertexShader);
	glDeleteShader(fragmentShader);

/*
	float vertices[] = {
		 0.5f,  0.5f, 0.0f,  // top right
		 0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom right
		-0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom left
		-0.5f,  0.5f, 0.0f   // top left 
	};*/
	float vertices[] = {
	-0.5f, -0.5f, 0.0f,
	 0.5f, -0.5f, 0.0f,
	 0.0f,  0.5f, 0.0f
	};
	unsigned int indices[] = {  // note that we start from 0!
	0, 1, 3,  // first Triangle
	1, 2, 3   // second Triangle
	};
	//使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO对象
	unsigned int VBO = 0;
	unsigned int VAO = 0;
	unsigned int EBO = 0;
	glGenVertexArrays(1, &VAO);
	glGenBuffers(1, &VBO);
	glGenBuffers(1, &EBO);

	//OpenGL有很多缓冲对象类型，顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER。
	// OpenGL允许我们同时绑定多个缓冲，只要它们是不同的缓冲类型。我们可以使用
	// glBindBuffer函数把新创建的缓冲绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上
	//任何对GL_ARRAY_BUFFER的操作，都是对VBO的操作
	//把之前定义的顶点数据复制到缓冲的内存
	glBindVertexArray(VAO);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
	glEnableVertexAttribArray(0);
	
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
	glBindVertexArray(0);
	/*画一个三角形 end                                                                     */
	/************************************************************************/
	//渲染循环
	//在窗口结束之前，不断绘制图像，并且能够接收用户的输入
	while (!glfwWindowShouldClose(window))
	{
		// 输入
		processInput(window);	

		//渲染指令
		//激活,在glUseProgram函数调用之后，每个着色器调用和渲染调用都会使用这个程序对象
		//（也就是之前写的着色器)了。
		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
		glUseProgram(shaderProgram);
		glBindVertexArray(VAO);
		glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
		//glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

		// 检查并调用事件，交换缓冲
		glfwSwapBuffers(window);	
		glfwPollEvents();					
	}

	glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
	glDeleteBuffers(1, &VBO);
	glDeleteBuffers(1, &EBO);
	glDeleteProgram(shaderProgram);

	glfwTerminate();
	return 0;
}