python之OpenGL应用（二）Hello Triangle

上一篇文章介绍了使用glfw和pyopengl库的简单流程并给出了绘制三角形的入门代码，从本篇开始，将结合三角形的绘制过程来介绍OpenGL绘制图形的基本原理。

1 绘制流程

OpenGL的图形绘制遵循下图所示的图形渲染管线：

图1 OpenGL图形渲染管线

• **顶点着色(vertex shader)阶段：**将CPU传入的数据进行一定的变换处理
• **几何着色(geometry shader)阶段：**根据一定规则将输入的图元变更或输出更多的图元（可选）
• 图元装配(shape assembly)阶段：将上阶段的顶点数据处理成图元（如，三角形）
• 光栅化(rasterization)阶段：将上阶段的图元进行计算得到图元占据的屏幕像素列表
• **片段着色(fragment)阶段：**将上阶段生成的片元进行着色处理后
• 测试与混合(test and blending)阶段：计算片元的深度、颜色等从而进行舍弃或保留

绘制流程比较繁琐，然而，我们能配置的只有三个蓝色的着色器部分，即：顶点着色器、 几何着色器（可选）和片段着色器，一般只需配置顶点着色器和片段着色器即可。

2 生成顶点数据

生成顶点缓冲对象(Vertex Buffer Objects, VBO)并加载数据，代码如下：

#生成顶点数据
vertices = np.array([[-0.5, -0.5, 0.0],
                     [0.5, -0.5, 0.0],
                     [0.0, 0.5, 0.0]])
VBO = glGenBuffers(1)
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO)
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 8*vertices.size, vertices, GL_STATIC_DRAW)

3 链接属性数据

顶点数组对象(Vertex Array Object, VAO)与VBO绑定，用于保存属性数据（先绑定VAO，再创建VBO就会绑定到VAO上），代码如下：

#链接属性数据
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_DOUBLE, GL_FALSE, int(8*3), None)
glEnableVertexArrayAttrib(VAO, 0)

4 创建顶点着色器

创建顶点着色器(Vertex Shader)并编译，代码如下：

#创建顶点着色器
vertexShaderSource = """
    #version 330 core
    layout (location = 0) in vec3 aPos;
    
    void main()
    {
        gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
    }
"""
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER)
glShaderSource(vertexShader, vertexShaderSource)
glCompileShader(vertexShader)

5 创建片段着色器

创建片段着色器(Fragment Shader)并编译：

#创建片段着色器
fragmentShaderSource = """
    #version 330 core
    out vec4 FragColor;
    
    void main()
    {
        FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
    } 
"""
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER)
glShaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource)
glCompileShader(fragmentShader)

6 链接着色器

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：

#链接着色器
shaderProgram = glCreateProgram()
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader)
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader)
glLinkProgram(shaderProgram)

7 绘制

#绘制
glClearColor(0.2, 0.3, 0.3, 1.0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 
glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

8 完整代码

# 导入相关库
import glfw
from OpenGL.GL import *
import numpy as np

#初始化glfw环境
glfw.init()
#创建窗口
window = glfw.create_window(800, 600, "hello triangle", None, None)
glfw.make_context_current(window)
#生成顶点数据并链接属性
VAO = glGenVertexArrays(1)
glBindVertexArray(VAO) 
vertices = np.array([[-0.5, -0.5, 0.0],
                     [0.5, -0.5, 0.0],
                     [0.0, 0.5, 0.0]])
VBO = glGenBuffers(1)
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO)
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 8*vertices.size, vertices, GL_STATIC_DRAW)
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_DOUBLE, GL_FALSE, int(8*3), None)
glEnableVertexArrayAttrib(VAO, 0)
#创建顶点着色器
vertexShaderSource = """
    #version 330 core
    layout (location = 0) in vec3 aPos;
    
    void main()
    {
        gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
    }
"""
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER)
glShaderSource(vertexShader, vertexShaderSource)
glCompileShader(vertexShader)
#创建片段着色器
fragmentShaderSource = """
    #version 330 core
    out vec4 FragColor;
    
    void main()
    {
        FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
    } 
"""
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER)
glShaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource)
glCompileShader(fragmentShader)
# 链接着色器
shaderProgram = glCreateProgram()
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader)
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader)
glLinkProgram(shaderProgram)
# 删除着色器
glDeleteShader(vertexShader)
glDeleteShader(fragmentShader)
# 循环绘制
while not glfw.window_should_close(window):
    #绘制
    glClearColor(0.2, 0.3, 0.3, 1.0)
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
 
    glUseProgram(shaderProgram)
    glBindVertexArray(VAO)
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3)
        
    glfw.swap_buffers(window)
    glfw.poll_events()
# 结束glfw环境
glfw.terminate()

参考资料：

(5 封私信 / 14 条消息) 【Learn OpenGL笔记】三角形(Triangle) - 知乎

基于Python的OpenGL 01 之Hello Triangle - 当时明月在曾照彩云归 - 博客园