详解第一个OpenGL程序
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写在前面OpenGL能做的事情太多了！很多程序也看起来很复杂。很多人感觉OpenGL晦涩难懂，原因大多是被OpenGL里面各种语句搞得头大，一会gen一下，一会bind一下，一会又active一下。搞到最后都不知道自己在干嘛，更有可能因为某一步的顺序错误导致最后渲染出错，又或者觉得记下这些操作的顺序是非常烦人的一件事。那么，OpenGL为什么会长成这个样子呢？这篇文章旨在通过一个最简单的OpenGL程序开始，让我们能够“看懂”它，“记住”这些操作顺序。我们先来解释一下OpenGL为什么会涉及这么多操作顺序。这是因为，和我们现在使用的C++、C#这种面向对象的语言不同，&OpenGL中的大多数函数使用了一种&基于状态&的方法，大多数OpenGL对象都需要在使用前把该对象绑定到context上。这里有两个新名词——OpenGL对象和Context。ContextContext是一个非常抽象的概念，我们姑且把它理解成一个包含了所有OpenGL状态的对象。如果我们把一个Context销毁了，那么OpenGL也不复存在。OpenGL对象我们可以把OpenGL对象理解成一个状态的集合，它负责管理它下属的所有状态。当然，除了状态，OpenGL对象还会存储其他数据。注意。这些状态和上述context中的状态并不重合，只有在把一个OpenGL对象绑定到context上时，OpenGL对象的各种状态才会映射到context的状态。因此，这时如果我们改变了context的状态，那么也会影响这个对象，而相反地，依赖这些context状态的函数也会使用存储在这个对象上的数据。因此，OpenGL对象的绑定既可能是为了修改该对象的状态（大多数对象需要绑定到context上才可以改变它的状态），也可能是为了让context渲染时使用它的状态。画了一个图，仅供理解。图中灰色的方块代表各种状态，箭头表示当把一个OpenGL对象绑定到context上后，对应状态的映射。前面提到过，OpenGL就是一个&“状态机”&。那些各种各样的API调用会改变这些状态，或者根据这些状态进行操作。但我们要注意的是，这只是说明了OpenGL是怎样被定义的，但硬件是否是按状态机实现的就是另一回事了。不过，这不是我们需要担心的地方。OpenGL对象&包含了下面一些类型：Buffer Objects，Vertex Array Objects，Textures，Framebuffer Objects等等。我们下面会讲到&Vertex Array Objects这个对象。这些对象都有三个相关的重要函数：void&glGen*(GLsizei&n,&GLuint&*objects);负责生成一个对象的name。而name就是这个对象的引用。void&glDelete*(GLsizei&n,&const&GLuint&*objects);负责销毁一个对象。void&glBind*(GLenum&target,&GLuint&object);将对象绑定到context上。关于OpenGL对象还有很多内容，这里就不讲了。可以参见&&。&在开始第一个程序之前，我们还要了解一些图形名词。渲染（Rendering）&：计算机从模型到创建一张图像的过程。OpenGL仅仅是其中一个渲染系统。它是一个基于光栅化的系统，其他的系统还有光线追踪（但有时也会用到OpenGL）等。模型（Models）或者对象（Objects）&：这里两者的含义是一样的。指从几何图元——点、线、三角形中创建的东西，由顶点指定。Shaders&：这是一类特殊的函数，是在图形硬件上执行的。&我们可以理解成，Shader是一些为图形处理单元（GPU）编译的小程序。OpenGL包含了编译工具来把我们编写的Shader源代码编译成可以在GPU上运行的代码。在OpenGL中，我们可以使用四种shader阶段。最常见的就是vertex shaders——它们可以处理顶点数据；以及fragment shaders，它们处理光栅化后生成的fragments。&vertex shaders和fragment shaders是每个OpenGL程序必不可少的部分。像素（pixel）&：像素是我们显示器上的最小可见元素。我们系统中的像素被存储在一个帧缓存（framebuffer）中。帧缓存是一块由图形硬件管理的内存空间，用于供给给我们的显示设备。惊鸿一瞥我们的第一个程序（不完整）的运行结果如下：代码如下（提示：这里可以粗略地看下中文注释，后面会更详细讲述的）：///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//&triangles.cpp
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
?//--------------------------------------------------------------------
//&在程序一开头,我们包含了所需的头文件,
//&声明了一些全局变量(但通常是不用全局变量在做的,这里只是为了说明一些基本问题)
//&以及其他一些有用的程序结构
using&namespace&
#include&"vgl.h"
#include&"LoadShaders.h"
enum&VAO_IDs&{&Triangles,&NumVAOs&};
enum&Buffer_IDs&{&ArrayBuffer,&NumBuffers&};
enum&Attrib_IDs&{&vPosition&=&0&};
GLuint&&VAOs[NumVAOs];
GLuint&&Buffers[NumBuffers];
const&GLuint&NumVertices&=&6;
?//---------------------------------------------------------------------
//&init()函数用于设置我们后面会用到的一些数据.例如顶点信息,纹理等
void&init(void)&{
&&&&glGenVertexArrays(NumVAOs,&VAOs);
&&&&glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);
&&&&//&我们首先指定了要渲染的两个三角形的位置信息.
&&&&GLfloat&&vertices[NumVertices][2]&=&{
&&&&&&&&{&-0.90,&-0.90&},&&//&Triangle&1
&&&&&&&&{&&0.85,&-0.90&},
&&&&&&&&{&-0.90,&&0.85&},
&&&&&&&&{&&0.90,&-0.85&},&&//&Triangle&2
&&&&&&&&{&&0.90,&&0.90&},
&&&&&&&&{&-0.85,&&0.90&}
&&&&glGenBuffers(NumBuffers,&Buffers);
&&&&glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,&Buffers[ArrayBuffer]);
&&&&glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,&sizeof(vertices),
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&vertices,&GL_STATIC_DRAW);
&&&&//&然后使用了必需的vertex和fragment&shaders
&&&&ShaderInfo&&shaders[]&=&{
&&&&&&&&&&&&{&GL_VERTEX_SHADER,&"triangles.vert"&},
&&&&&&&&&&&&{&GL_FRAGMENT_SHADER,&"triangles.frag"&},
&&&&&&&&&&&&{&GL_NONE,&NULL&}
&&&&//&LoadShaders()是我们自定义(这里没有给出)的一个函数,
&&&&//&用于简化为GPU准备shaders的过程,后面会详细讲述
&&&&GLuint&program&=&LoadShaders(shaders);
&&&&glUseProgram(program);
&&&&//&最后这部分我们成为shader&plumbing,
&&&&//&我们把需要的数据和shader程序中的变量关联在一起,后面会详细讲述
&&&&glVertexAttribPointer(vPosition,&2,&GL_FLOAT,
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&GL_FALSE,&0,&BUFFER_OFFSET(0));
&&&&glEnableVertexAttribArray(vPosition);
//---------------------------------------------------------------------
//&display
//&这个函数是真正进行渲染的地方.它调用OpenGL的函数来请求数据进行渲染.
//&几乎所有的display函数都会进行下面的三个步骤.
void&display(void)&{
&&&&//&1.&调用glClear()清空窗口
&&&&glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
&&&&//&2.&发起OpenGL调用来请求渲染你的对象
&&&&glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);
&&&&glDrawArrays(GL_TRIANGLES,&0,&NumVertices);
&&&&//&3.&请求将图像绘制到窗口
&&&&glFlush();
//---------------------------------------------------------------------
//&main()函数用于创建窗口,调用init()函数,最后进入到事件循环(event&loop).
//&这里仍会看到一些以gl开头的函数,但和上面的有所不同.
//&这些函数来自第三方库,以便我们可以在不同的系统中更方便地使用OpenGL.
//&这里我们使用的是GLUT和GLEW.
int&main(int&argc,&char**&argv)&{
&&&&glutInit(&argc,&argv);
&&&&glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA);
&&&&glutInitWindowSize(512,&512);
&&&&glutInitContextVersion(4,&3);
&&&&glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE);
&&&&glutCreateWindow(argv[0]);
&&&&if&(glewInit())&{
&&&&&&&&cerr&<<&"Unable&to&initialize&GLEW&...&exiting"&<<&&exit(EXIT_FAILURE);
&&&&init();
&&&&glutDisplayFunc(display);
&&&&glutMainLoop();
}Vertex Shader如下：#version&430&core
layout(location&=&0)&in&vec4&vP
&&&&&gl_Position&=&vP
}Fragment Shader如下：#version&430&core
out&vec4&fC
fColor&=&vec4(0.0,&0.0,&1.0,&1.0);
}OpenGL的语法这里插播一段语法解释。从上面可以看出，OpenGL里面的函数长得都有一个特点，都是由“gl”开头的，然后紧跟一个或多个大写字母（例如，glBindVertexArray()）。而且可以告诉，所有的OpenGL函数都长这样。在上面的程序里面还有一些函数是“glut”开头的，这是来自OpenGL实用工具（OpenGL Utility Toolkit）——GLUT。这是一个非常流行的跨平台工具，可以用于打开窗口、管理输入等操作。龙书用的GLUT版本是Freeglut，是原始GLUT的一个变种。GLUT已经不再更新了。。。Sad。。。同样，还有一个函数，glewInit()，它来自GLEW库。GLUT和GLEW就是龙书所用的两个库了。和OpenGL函数的命名规范类似，在display()函数里见到的GL_COLOR_BUFFER_BIT这样的常量，也是OpenGL定义的。它们由GL_开头，实用下划线来分割字符。它们的定义就是通过OpenGL头文件（glcorearb.h和glewt.h）里面的#define指令定义的。OpenGL为了跨平台还自己定义了一系列数据类型，如GLfloat。而且，因为OpenGL是一个“C”语言库，它不使用函数重载来解决不同类型的数据问题，而是使用函数命名规范来组织不同的函数。例如，后面我们会碰到一个函数叫glUniform*()，这个函数有很多形式，例如，glUniform2f()和glUniform3fv。这些函数名字后面的后缀——2f和3fv，提供了函数的参数信息。例如，2f中的2表示有两个数据将会传递给函数，f表示这两个参数的类型是GLfloat。而3fv中最后的v，则是vector的简写，表明这三个GLfloat将以vector的形式传递给函数，而不是三个独立的参数。一些例子中&没有使用OpenGL定义的数据类型&，直接使用了float这样的变量。这可能会造成在不同平台上不兼容的问题&。在三维的世界里，所有的故事都是从顶点开始的。虽然题目是“详解第一个程序”，但目的是为了让大家理解最基础的顶点是怎么一步步传递到GLSL中的。重点内容开始！传递顶点数据：你会怎么做那么，现在的问题是，如果是你，你会怎么把顶点和它相关的信息，例如纹理坐标、法线等，传递给GLSL呢？一般人都会想到多维数组。&我们下面把它称为顶点流（Vertex Stream）。（什么？！你不是这么想的？！没关系，OpenGL是这么想的就好。。。）我们负责创建这个顶点流，然后只需要告诉OpenGL怎样解读它就可以了。为了渲染一个对象，我们必须使用一个shader program。而这个program会定义一系列&&，例如上述Vertex Shader中的vPosition一行。这些属性决定了我们需要传递哪些顶点数据。每一个属性对应了一个数组，并且这些数据的维度都必须相等，即是一一对应的关系。比如我们想要渲染3个顶点，我们会定义下面的数据：{&{1,&1,&1},&{0,&0,&0},&{0,&0,&1}&}这些顶点的顺序是非常重要的，OpenGL将会根据这些顺序渲染网格。我们可以直接使用上述这种数据来直接渲染，也可以使用索引（indices）来指定顺序，这样可以重复使用同一个顶点。例如，我们使用下面的索引列表：{2,&1,&0,&2,&1,&2}那么OpenGL将会渲染6个顶点：{&{0,&0,&1},&{0,&0,&0},&{1,&1,&1},&{0,&0,&1},&{0,&0,&0},&{0,&0,&1}&}现在，我们还想传递一个新的顶点属性，即每个顶点的纹理坐标，那么新的纹理数组可能长这样：{&{0,&0},&{0.5,&0},&{0,&1}&}注意，纹理数据的维度大小一定要和上面的坐标数组大小一致，而其他顶点属性数组的维度也要满足这个条件。这是非常容易理解的。那么，合并后的顶点属性列表就是：[{0,&0,&1},&{0,&1}],&[{0,&0,&0},&{0.5,&0}],&[{1,&1,&1},&{0,&0}],&[{0,&0,&1},&{0,&1}],&[{0,&0,&0},&{0.5,&0}],&[{0,&0,&1},&{0,&1}]&}OpenGL的做法：VAO和VBOOpenGL使用了VAO来实现上述管理顶点数据的数据作用，以及VBO来存放真正的顶点属性数据。VAO（Vertex Array Object）我们这里遇到了第一种OpenGL对象——VAO（Vertex Array Object）。前面说到OpenGL对象是状态的集合，那么VAO就是所有顶点数据的状态集合。它存储了顶点数据的格式以及顶点数据数据所需的缓存对象的&引用&。前面提过，OpenGL对象都有三个非常重要的函数，而VAO对应的就是&&、&和&&。VAO负责管理顶点属性，而这些顶点属性从0到&GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS&&- 1被编号。这些属性在Vertex Shader里的表现就是类似下面的语句：layout(location&=&0)&in&vec4&vP上述顶点属性vPosition被编号为0。每个属性可以被enable或者disable，被disable的属性是不会传递给shader的，即便在shader里定义了这些属性，它们读出的值也会是一个常量，而非真正的数据。一个新建的VAO的所有属性访问都是disable的。而开启一个属性是通过下面的函数：void&glEnableVertexAttribArray(GLuint&index);与其对应的是& 函数。而为了使用上述函数来改变VAO的状态，我们首先需要把VAO绑定到当前的context上。VBO（Vertex Buffer Object）VBO是一种Buffer Object，即它也是一个OpenGL对象。VBO是顶点数组数据真正所在的地方。为了指定一个属性数据的格式和来源，我们需要告诉OpenGL，编号为0的属性使用哪个VBO，编号为1的属性使用哪个VBO等等。为了实现它，我们可以这么做。首先，我们要知道，任何VBO都需要先绑定到&GL_ARRAY_BUFFER&才可以对它进行操作。绑定后，我们可以调用下面的函数之一：void&glVertexAttribPointer(&GLuint&index,&GLint&size,&GLenum&type,
&&&GLboolean&normalized,&GLsizei&stride,&const&void&*offset);
&void&glVertexAttribIPointer(&GLuint&index,&GLint&size,&GLenum&type,
&&&GLsizei&stride,&const&void&*offset&);
&void&glVertexAttribLPointer(&GLuint&index,&GLint&size,&GLenum&type,
&&&GLsizei&stride,&const&void&*offset&);它们的作用大同小异，就是告诉OpenGl，编号为index的属性使用当前绑定在GL_ARRAY_BUFFER的VBO。为了更好理解，我们举例：glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,&buf1);
glVertexAttribPointer(0,&4,&GL_FLOAT,&GL_FALSE,&0,&0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,&0);上面第一行代码将buf1绑定到了GL_ARRAY_BUFFER上。第二行意味着，编号为0的属性将使用buf1的数据，因为当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER上的是buf1。第三行将缓存对象0绑定到了GL_ARRAY_BUFFER上，这不会对顶点属性有任何影响，只有函数可以影响它们！这个过程就像一个中介人的作用，而中介人就是GL_ARRAY_BUFFER。我们可以这么想，&设置了一个全局变量，然后glVertexAttribPointer读取了这个全局变量并把它存储在VAO中，这个全局变量就是GL_ARRAY_BUFFER。当调用完glVertexAttribPointer后，顶点属性已经知道了数据来源就是buf1，它们之间就会直接联系，而不需要在通过GL_ARRAY_BUFFER。写在最后虽然说了这么多，大家可能也没怎么看懂，但重点其实就是“状态机”。大家记住这一点也算没白费。参考资料：OpenGL Programming Guide 8th Edition
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&2016 Chukong Technologies,Inc.
京公网安备89Nehe的OpenGL教程中文版.chm
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osgNeHe（51）
OpenSceneGraph是一个开放源码，跨平台的图形开发包，它为诸如飞行器仿真，游戏，虚拟现实，科学计算可视化这样的高性能图形应用程序开发而设计。它基于场景图的概念，它提供一个在OpenGL之上的面向对象的框架，从而能把开发者从实现和优化底层图形的调用中解脱出来，并且它为图形应用程序的快速开发提供很多附加的实用工具。
教程是目前针对初学者来说最好的教程，它可以带领读者由浅入深，循序渐进地掌握编程技巧。到目前为，教程一共有节。我的计划是使用来实现所有节课程同样的效果。目的是我随时期待读者的指正和交流。转载请注明。谢谢。
在本系列教程中，我使用的是VisualStudio 2008作为开发环境，使用Qt4.8.3版本，OpenScenGraph使用的是3.2.0，建立的工程都是Qt Console类的工程
创建一个osg窗口
osg3.0后的版本在建立窗口时相对比较简单，因为osg引入了osgQt类库帮助我们建立Qt界面
对于需要将 OSG 嵌合到各式各样的GUI 系统（如MFC，Qt，wxWidgets 等）来
说，osg::GraphicsContext 类是经常要打交道的对象之一。一种常用的嵌入方式实现过程如下所示：
osg::ref_ptr&osg::GraphicsContext::Traits& traits = new osg::GraphicsContext::T
osg::ref_ptr&osg::Referenced& windata =
new osgViewer::GraphicsWindowWin32::WindowData(hWnd);
traits-&x = 0;
traits-&y = 0;
traits-&inheritedWindowData =
osg::GraphicsContext* gc = osg::GraphicsContext::createGraphicsContext(traits.get());
Camera* camera = viewer.getCamera();
camera-&setGraphicsContext(gc);
viewer.setCamera(camera);这个过程虽然比较繁杂，但是顺序还是十分清楚的：首先设置嵌入窗口的特性（Traits），
例如X、Y 位置，宽度和高度，以及父窗口的句柄（inheritedWindowData）；然后根据特性
的设置创建一个新的图形设备上下文（GraphicsContext），将其赋予场景所用的摄像机。
由于使用的是Qt，因此首先使用Traits创建一个GraphicsWindowQt
osg::DisplaySettings* ds = osg::DisplaySettings::instance().get();
osg::ref_ptr&osg::GraphicsContext::Traits& traits = new osg::GraphicsContext::T
traits-&windowName =
traits-&windowDecoration = windowD
traits-&x =
traits-&y =
traits-&width =
traits-&height =
traits-&doubleBuffer =
traits-&alpha = ds-&getMinimumNumAlphaBits();
traits-&stencil = ds-&getMinimumNumStencilBits();
traits-&sampleBuffers = ds-&getMultiSamples();
traits-&samples = ds-&getNumMultiSamples();
return new osgQt::GraphicsWindowQt(traits.get());将创建好的GraphicsWindow设置给相机，同时设置相机的视口、投影参数、背景颜色
osg::Camera* camera = this-&getCamera();
camera-&setGraphicsContext( gw );
const osg::GraphicsContext::Traits* traits = gw-&getTraits();
camera-&setClearColor( osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0) );
camera-&setViewport( new osg::Viewport(0, 0, traits-&width, traits-&height) );
camera-&setProjectionMatrixAsPerspective(45.0f, static_cast&double&(traits-&width)/static_cast&double&(traits-&height), 0.1f, 100.0f );
最后声明窗体类，在这里我定义了渲染的窗体ViewerWidget继承于QWidget和osgViewer::Viewer，同时设置一个定时器，在定时器timeout的时候调用viewer的帧重绘函数。
最后在main函数中设置窗体的大小为640x480，编译并运行，一个如NeHe教程中黑色背景的窗口就出现了。
附：本课源码(源码可能存在错误和不足之处，仅供参考)
1.osgNeHe.h
#ifdef _DEBUG
#pragma comment(lib, &OpenThreadsd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgAnimationd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgDBd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgFXd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgGAd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgManipulatord.lib&)
#pragma comment(lib, &osgParticled.lib&)
#pragma comment(lib, &osgQtd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgShadowd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgSimd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgTerraind.lib&)
#pragma comment(lib, &osgTextd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgUtild.lib&)
#pragma comment(lib, &osgViewerd.lib&)
#pragma comment(lib, &osgVolumed.lib&)
#pragma comment(lib, &osgWidgetd.lib&)
#pragma comment(lib, &OpenThreads.lib&)
#pragma comment(lib, &osg.lib&)
#pragma comment(lib, &osgAnimation.lib&)
#pragma comment(lib, &osgDB.lib&)
#pragma comment(lib, &osgFX.lib&)
#pragma comment(lib, &osgGA.lib&)
#pragma comment(lib, &osgManipulator.lib&)
#pragma comment(lib, &osgParticle.lib&)
#pragma comment(lib, &osgQt.lib&)
#pragma comment(lib, &osgShadow.lib&)
#pragma comment(lib, &osgSim.lib&)
#pragma comment(lib, &osgTerrain.lib&)
#pragma comment(lib, &osgText.lib&)
#pragma comment(lib, &osgUtil.lib&)
#pragma comment(lib, &osgViewer.lib&)
#pragma comment(lib, &osgVolume.lib&)
#pragma comment(lib, &osgWidget.lib&)
2.main.cpp
#include &../osgNeHe.h&
#include &QtCore/QTimer&
#include &QtGui/QApplication&
#include &QtGui/QVBoxLayout&
#include &osgViewer/Viewer&
#include &osgDB/ReadFile&
#include &osgQt/GraphicsWindowQt&
class ViewerWidget : public QWidget, public osgViewer::Viewer
ViewerWidget(osg::Node *scene = NULL)
QWidget* renderWidget = getRenderWidget( createGraphicsWindow(0,0,100,100), scene);
QVBoxLayout* layout = new QVBoxL
layout-&addWidget(renderWidget);
layout-&setContentsMargins(0, 0, 0, 1);
setLayout( layout );
connect( &_timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(update()) );
_timer.start( 10 );
QWidget* getRenderWidget( osgQt::GraphicsWindowQt* gw, osg::Node* scene )
osg::Camera* camera = this-&getCamera();
camera-&setGraphicsContext( gw );
const osg::GraphicsContext::Traits* traits = gw-&getTraits();
camera-&setClearColor( osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0) );
camera-&setViewport( new osg::Viewport(0, 0, traits-&width, traits-&height) );
camera-&setProjectionMatrixAsPerspective(45.0f, static_cast&double&(traits-&width)/static_cast&double&(traits-&height), 0.1f, 100.0f );
this-&setSceneData( scene );
return gw-&getGLWidget();
osgQt::GraphicsWindowQt* createGraphicsWindow( int x, int y, int w, int h, const std::string& name=&&, bool windowDecoration=false )
osg::DisplaySettings* ds = osg::DisplaySettings::instance().get();
osg::ref_ptr&osg::GraphicsContext::Traits& traits = new osg::GraphicsContext::T
traits-&windowName =
traits-&windowDecoration = windowD
traits-&x =
traits-&y =
traits-&width =
traits-&height =
traits-&doubleBuffer =
traits-&alpha = ds-&getMinimumNumAlphaBits();
traits-&stencil = ds-&getMinimumNumStencilBits();
traits-&sampleBuffers = ds-&getMultiSamples();
traits-&samples = ds-&getNumMultiSamples();
return new osgQt::GraphicsWindowQt(traits.get());
virtual void paintEvent( QPaintEvent* event )
protected:
int main( int argc, char** argv )
QApplication app(argc, argv);
ViewerWidget* viewWidget = new ViewerWidget();
viewWidget-&setGeometry( 100, 100, 640, 480 );
viewWidget-&show();
return app.exec();
参考知识库
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