OpenGL - 绘制三角形

OpenGL - 绘制三角形

前言

• 本节目标
  • 掌握VAO,VBO,VEO的概念和用法
  • 在窗口内绘制三角形
• 重难点都在本节

渲染管线

渲染管线这个名字听起来高端，其实很简单。管线就意味着串行执行，一步步来的代码。说白了就是一个流程图，没有什么并行，架构等复杂的逻辑。借用一张流程图来说：

• 渲染基础理论：所有的2d，3d物体可以拆分成若干个三角形。
• 最重要的输入：顶点数据
• 着重看蓝色部分，因为蓝色部分是开发者可以控制的
• 顶点着色器，这里着色二字不恰当。其实作用就是点定位代码。
• 片元着色器，在光栅化后 会转换成像素点，这里的功能就是计算像素最终颜色。这里的计算就非常的精细了

通过上述流程图可知如果我们要实现绘制一个三角形，写顶点着色器就可以了，如果带颜色再加一个片段着色器。

所以首先我们来画一个不带颜色的三角形

绘制三角形

下面是示例是绘制两个三角形组成的正方形，整体思路如下图

• 上图展示了一个2d/3d对象的生成步骤
• 数据源生成是一个难点，不可能人工输入，这个可以交给某些数据源生成器，比如Unity直观地拖拉拽。在本次示例比较简单，直接给出顶点数据
• 数据源生成VAO比较复杂，需要经过VBO,VAO的辅助
• 着色器代码编写也是难点，这个后续章节再聊。本节给个简单顶点着色器代码如下

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;

out vec3 ourColor;
out vec2 TexCoord;

void main()
{
        gl_Position = vec4(position, 1.0f);
}

给出顶点数据

GLfloat vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // 1
        0.5f, -0.5f, -0.5f, // 2
        0.5f,  0.5f, -0.5f, // 3
        0.5f,  0.5f, -0.5f, // 4
        -0.5f,  0.5f, -0.5f, // 5
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // 6
        
};

创建VAO（顶点数组对象）

• 这个步骤肯定是需要VBO辅助的，可以理解为VBO创建顶点的内存，VAO用于指向。
• 可能需要VEO辅助，VEO的作用是描述顶点数据的意义

下面介绍下这个三个对象即VAO,VBO,VEO

创建VAO对象

// 创建VAO对象
GLuint VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glBindVertexArray(VAO);

• 绘制对象的时候就使用它，VBO, EBO主要是用来辅助内存分配的。内存分配完成后，VAO会指向内存地址。
• 一个对象对应一个VAO

创建VBO

顶点缓冲对象，用于OpenGL在GPU管理顶点数据的对象，从而提升GPU访问顶点数据的性能。

GLuint VBO;
// 1. 分配起始地址
glGenBuffers(1, &VBO);
// 2. 绑定其实是指定到GPU
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 3. 分配内存大小
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(DRAW_LIGHT::vertices), DRAW_LIGHT::vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 4. 配置内存定义，这里即一次取3个float, 从这个三个中取3个，作为postion = 0 的属性供shader使用
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid *) 0);
// 5. 这一步例行公事，意思是启用顶点属性
glEnableVertexAttribArray(0);

• 创建VBO的过程就是对内存分配的描述。即用C++/OPENgl 去描述顶点数组每个内存块的意义。
• 步骤是分配地址 -> 绑定地址 -> 分配数据内存 -> 描述内存如何分配
• 作用是辅助内存分配。可以思考下为啥不能直接用VAO进行内存分配？
• VBO是可以复用的，即可以重复利用VBO指针
• VAO和VBO简单的关系可以如下图

这个比较重要，我们在举一个复杂的例子, 如下

一个复杂的vbo例子

GLfloat vertices[] = {
        // Positions          // Colors           // Texture Coords
         0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, // Top Right
         0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,   1.0f, 0.0f, // Bottom Right
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, 1.0f,   0.0f, 0.0f, // Bottom Left
        -0.5f,  0.5f, 0.0f,   1.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f  // Top Left 
    };
    
    
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    // Color attribute
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(3 * sizeof(GLfloat)));
    glEnableVertexAttribArray(1);
    // TexCoord attribute
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(6 * sizeof(GLfloat)));
    glEnableVertexAttribArray(2);

• 我们纵向看glVertexAttribPointer的前两个参数组成了两个数组[0,1,2],[3,3,2]。这两个数组定义了VBO的内存模型。
• 首先一个顶点的内存容量为8个GLfloat。且内存分配为3,3,2, 如下图

• 在渲染管线的顶点着色器这一步中，读取GLSL。如下。

#version 330 core
# 读取 location 0, 即上图蓝色部分，交给position变量
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (location = 1) in vec3 color;
layout (location = 2) in vec2 texCoord;

out vec3 ourColor;
out vec2 TexCoord;

void main()
{
        gl_Position = vec4(position, 1.0f);
        ourColor = color;
        // We swap the y-axis by substracing our coordinates from 1. This is done because most images have the top y-axis inversed with OpenGL's top y-axis.
        // TexCoord = texCoord;
        TexCoord = vec2(texCoord.x, 1.0 - texCoord.y);
}

💡 注意上述代码，不是本节使用的着色器。只是为了说明原理用。本章所使用的着色器已在本节开头列出

创建EBO

用于描述顶点数据的意义

GLfloat vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // 1
        0.5f, -0.5f, -0.5f, // 2
        0.5f,  0.5f, -0.5f, // 3
        0.5f,  0.5f, -0.5f, // 4
        -0.5f,  0.5f, -0.5f, // 5
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // 6
        
};
GLuint indices[] = { // 注意索引从0开始!
        0, 1, 3, // 第一个三角形
        1, 2, 3  // 第二个三角形
};

glGenBuffers(1, &EBO);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

• 上述代码描述了第一个三角形用顶点的 0,1,3作为数据源绘制，第二个三角形用1,2,3作为数据源绘制
• 如何不用EBO描述，默认就是0,1,2为第一个，3,4,5为第二个
• 从上面两条容易想到，EBO可以优化顶点的数量，比如一个矩形用默认的方式要写6个点(2 （三角形个数）* 3（三角形顶点数）)， 但其实矩形只有四个顶点。这种情况就可以用EBO实现

核心绘制代码

shader.Use();
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);

• shader是顶点着色器和片元着色器的封装。先忽略
• glBindVertexArray这里是使用VAO
• glDrawArrays这里出发渲染管线，先经过顶点着色器绘制顶点，再通过片元着色器给片元上色

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