轉(zhuǎn)自?http://www.cocoachina.com/game/20150811/12969.html

譯序

早前學OpenGL的時候還是1.x版本，用的都是glVertex，glNormal等固定管線API。后來工作需要接觸DirectX9，shader也只是可選項而已，跟固定管線一起混用著?，F(xiàn)在工作內(nèi)容是手機游戲，又轉(zhuǎn)到OpenGL ES，發(fā)現(xiàn)OpenGL的世界已經(jīng)完全不同了，OpenGL ES 2.0版本開始就不再支持固定管線，只支持可編程管線。

國內(nèi)很多資料教程參差不齊，舊式接口滿天飛。在知乎看到這一系列教程，覺著挺好，就想著一邊學順便翻譯下。畢竟手游市場的機遇和競爭壓力都在同比猛漲，多了解OpenGL ES肯定沒有壞處。浮躁功利的環(huán)境下更需要懷著一顆寧靜致遠的心去提高自身功底，長路漫漫，與君共勉。

歡迎大家，這是現(xiàn)代OpenGL教程系列的第一篇。所有代碼都是開源的，你可以在GitHub上下載：https://github.com/tomdalling/opengl-series

通過這篇教程，你將會學到如何在Windows下用Visual Studio 2013或Mac下用Xcode搭建OpenGL 3.2工程。該應用包含一個頂點著色器（vertex shader），一個片段著色器（fragment shader）和使用VAO和VBO來繪制的三角形。該工程使用GLEW來訪問OpenGL API，用GLFW來處理窗口創(chuàng)建和輸入，還有使用GLM進行矩陣/矢量相關的數(shù)學運算。

這聽上去有點無聊，但搭建這樣的工程確實挺麻煩的，尤其對于初學者。只要解決完這問題，我們就可以開始玩些有趣的東西了。

[TOC]

獲取代碼

所有例子代碼的zip打包可以從這里獲?。?a target="_blank" rel="nofollow">https://github.com/tomdalling/opengl-series/archive/master.zip。

這一系列文章中所使用的代碼都存放在：https://github.com/tomdalling/opengl-series。你可以在頁面中下載zip，加入你會git的話，也可以復制該倉庫。

本文代碼你可以在source/01_project_skeleton目錄里找到。使用OS X系統(tǒng)的，可以打開根目錄里的opengl-series.xcodeproj，選擇本文工程。使用Windows系統(tǒng)的，可以在Visual Studio 2013里打開opengl-series.sln，選擇相應工程。

工程里已包含所有依賴，所以你不需要再安裝或者配置額外的東西。如果有任何編譯或運行上的問題，請聯(lián)系我。

關于兼容性的提醒

本文使用OpenGL 3.2，但我會嘗試保持如下兼容：

向后兼容OpenGL 2.1

向前兼容OpenGL 3.X和4.X

兼容Android和iOS的OpenGL ES 2.0

因為OpenGL和GLSL存在許多不同版本，本文代碼不一定能做到100%上述兼容。我希望能兼容99%，并且不同版本之間只要輕微修改即可。

想要了解OpenGL和GLSL不同版本間的區(qū)別，這里很好得羅列了兼容列表。

Visual Studio下安裝

代碼在Windows 7 32位系統(tǒng)，Visual Studio Express 2013（免費）下創(chuàng)建和測試。你應該可以打開解決方案并成功編譯所有工程。如果有問題請聯(lián)系我，或者將補丁發(fā)我，我會更新工程。

Xcode下安裝

Xcode工程實在OSX 10.10系統(tǒng)，Xcode 6.1下創(chuàng)建并測試的。打開Xcode工程應該可以成功編譯所有目標。加入你無法成功編譯請聯(lián)系我。

Linux下安裝

Linux是基于SpartanJ。我在Ubuntu 12.04下簡單測試通過。

安裝GLM，GLFW和GLEW： sudo aptitude install libglm-dev libglew-dev libglfw-dev

進入工程目錄：cd platforms/linux/01_project_skeleto

運行makefile：make

運行可執(zhí)行文件：bin/01_project_skeleton-debug

GLEW, GLFW和GLM介紹

現(xiàn)在你有了工程，就讓我們開始介紹下工程所用到的開源庫和為啥需要這些。

The OpenGL Extension Wrangler (GLEW)是用來訪問OpenGL 3.2 API函數(shù)的。不幸的是你不能簡單的使用#include來訪問OpenGL接口，除非你想用舊版本的OpenGL。在現(xiàn)代OpenGL中，API函數(shù)是在運行時（run time）確定的，而非編譯期（compile time）。GLEW可以在運行時加載OpenGL API。

GLFW允許我們跨平臺創(chuàng)建窗口，接受鼠標鍵盤消息。OpenGL不處理這些窗口創(chuàng)建和輸入，所以就需要我們自己動手。我選擇GLFW是因為它很小，并且容易理解。

OpenGL Mathematics (GLM)是一個數(shù)學庫，用來處理矢量和矩陣等幾乎其它所有東西。舊版本OpenGL提供了類似glRotate, glTranslate和glScale等函數(shù)，在現(xiàn)代OpenGL中，這些函數(shù)已經(jīng)不存在了，我們需要自己處理所有的數(shù)學運算。GLM能在后續(xù)教程里提供很多矢量和矩陣運算上幫助。

在這系列的所有教程中，我們還編寫了一個小型庫tdogl用來重用C++代碼。這篇教程會包含tdogl::Shader和tdogl::Program用來加載，編譯和鏈接shaders。

什么是Shaders？

Shaders在現(xiàn)代OpenGL中是個很重要的概念。應用程序離不開它，除非你理解了，否則這些代碼也沒有任何意義。

Shaders是一段GLSL小程序，運行在GPU上而非CPU。它們使用OpenGL Shading Language (GLSL)語言編寫，看上去像C或C++，但卻是另外一種不同的語言。使用shader就像你寫個普通程序一樣：寫代碼，編譯，最后鏈接在一起才生成最終的程序。

Shaders并不是個很好的名字，因為它不僅僅只做著色。只要記得它們是個用不同的語言寫的，運行在顯卡上的小程序就行。

在舊版本的OpenGL中，shaders是可選的。在現(xiàn)代OpenGL中，為了能在屏幕上顯示出物體，shaders是必須的。

為可能近距離了解shaders和圖形渲染管線，我推薦Durian Software的相關文章The Graphics Pipeline chapter。

那shaders實際上干了啥？這取決于是哪種shader。

Vertex Shaders

Vertex shader主要用來將點（x，y，z坐標）變換成不同的點。頂點只是幾何形狀中的一個點，一個點叫vectex，多個點叫vertices（發(fā)音為ver-tuh-seez）。在本教程中，我們的三角形需要三個頂點（vertices）組成。

Vertex Shader的GLSL代碼如下：

#version?150

invec3?vert;

void?main()?{

????//?does?not?alter?the?vertices?at?all

????gl_Position?=?vec4(vert,?1);

}

第一行#version 150告訴OpenGL這個shader使用GLSL版本1.50。

第二行in vec3 vert;告訴shader需要那一個頂點作為輸入，放入變量vert。

第三行定義函數(shù)main，這是shader運行入口。這看上去像C，但GLSL中main不需要帶任何參數(shù)，并且不用返回void。

第四行gl_Position = vec4(vert, 1);將輸入的頂點直接輸出，變量gl_Position是OpenGL定義的全局變量，用來存儲vertex shader的輸出。所有vertex shaders都需要對gl_Position進行賦值。

gl_Position是4D坐標（vec4），但vert是3D坐標（vec3），所以我們需要將vert轉(zhuǎn)換為4D坐標vec4(vert, 1)。第二個的參數(shù)1是賦值給第四維坐標。我們會在后續(xù)教程中學到更多關于4D坐標的東西。但現(xiàn)在，我們只要知道第四維坐標是1即可，i可以忽略它就把它當做3D坐標來對待。

Vertex Shader在本文中沒有做任何事，后續(xù)我們會修改它來處理動畫，攝像機和其它東西。

Fragment Shaders

Fragment shader的主要功能是計算每個需要繪制的像素點的顏色。

一個"fragment"基本上就是一個像素，所以你可以認為片段著色器（fragment shader）就是像素著色器（pixel shader）。在本文中每個片段都是一像素，但這并不總是這樣的。你可以更改某個OpenGL設置，以便得到比像素更小的片段，之后的文章我們會講到這個。

本文所使用的fragment shader代碼如下：

#version?150

out?vec4?finalColor;

void?main()?{

????//set?every?drawn?pixel?to?white

????finalColor?=?vec4(1.0,?1.0,?1.0,?1.0);

}

再次，第一行#version 150告訴OpenGL這個shader使用的是GLSL 1.50。

第二行finalColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);將輸出變量設為白色。vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)是創(chuàng)建一個RGBA顏色，并且紅綠藍和alpha都設為最大值，即白色。

現(xiàn)在，就能用shader在OpenGL中繪制出了純白色。在之后的文章中，我們還會加入不同顏色和貼圖。貼圖就是你3D模型上的圖像。

編譯和鏈接Shaders

在C++中，你需要對你的.cpp文件進行編譯，然后鏈接到一起組成最終的程序。OpenGL的shaders也是這么回事。

在這篇文章中用到了兩個可復用的類，是用來處理shaders的編譯和鏈接：tdogl::Shader和tdogl::Program。這兩個類代碼不多，并且有詳細的注釋，我建議你閱讀源碼并且去鏈接OpenGL是如何工作的。

什么是VBO和VAO？

當shaders運行在GPU，其它代碼運行在CPU時，你需要有種方式將數(shù)據(jù)從CPU傳給GPU。在本文中，我們傳送了一個三角的三個頂點數(shù)據(jù)，但在更大的工程中3D模型會有成千上萬個頂點，顏色，貼圖坐標和其它東西。

這就是我們?yōu)槭裁葱枰猇ertex Buffer Objects (VBOs)和Vertex Array Objects (VAOs)。VBO和VAO用來將C++程序的數(shù)據(jù)傳給shaders來渲染。

在舊版本的OpenGL中，是通過glVertex，glTexCoord和glNormal函數(shù)把每幀數(shù)據(jù)發(fā)送給GPU的。在現(xiàn)代OpenGL中，所有數(shù)據(jù)必須通過VBO在渲染之前發(fā)送給顯卡。當你需要渲染某些數(shù)據(jù)時，通過設置VAO來描述該獲取哪些VBO數(shù)據(jù)推送給shader變量。

Vertex Buffer Objects (VBOs)

第一步我們需要從內(nèi)存里上傳三角形的三個頂點到顯存中。這就是VBO該干的事。VBO其實就是顯存的“緩沖區(qū)（buffers）” - 一串包含各種二進制數(shù)據(jù)的字節(jié)區(qū)域。你能上傳3D坐標，顏色，甚至是你喜歡的音樂和詩歌。VBO不關心這些數(shù)據(jù)是啥，因為它只是對內(nèi)存進行復制。

Vertex Array Objects (VAOs)

第二步我們要用VBO的數(shù)據(jù)在shaders中渲染三角形。請記住VBO只是一塊數(shù)據(jù)，它不清楚這些數(shù)據(jù)的類型。而告訴OpenGL這緩沖區(qū)里是啥類型數(shù)據(jù)，這事就歸VAO管。

VAO對VBO和shader變量進行了連接。它描述了VBO所包含的數(shù)據(jù)類型，還有該傳遞數(shù)據(jù)給哪個shader變量。在OpenGL所有不準確的技術名詞中，“Vertex Array Object”是最爛的一個，因為它根本沒有解釋VAO該干的事。

你回頭看下本文的vertex shader（在文章的前面），你就能發(fā)現(xiàn)我們只有一個輸入變量vert。在本文中，我們用VAO來說明“hi，OpenGL，這里的VBO有3D頂點，我想要你在vertex shader時，發(fā)三個頂點數(shù)據(jù)給vert變量?！?/p>

在后續(xù)的文章中，我們會用VAO來說“hi，OpenGL，這里的VBO有3D頂點，顏色，貼圖坐標，我想要你在shader時，發(fā)頂點數(shù)據(jù)給vert變量，發(fā)顏色數(shù)據(jù)給vertColor變量，發(fā)貼圖坐標給vertTexCoord變量?！?/p>

給使用上個OpenGL版本的用戶的提醒：

假如你在舊版本的OpenGL中使用了VBO但沒有用到VAO，你可能會不認同VAO的描述。你會爭論說“頂點屬性”可以用glVertexAttribPointer將VBO和shaders連接起來，而不是用VAO。這取決于你是否認為頂點屬性應該是VAO“內(nèi)置（inside）”的（我是這么認為的），或者說它們是否是VAO外置的一個全局狀態(tài)。3.2內(nèi)核和我用的AIT驅(qū)動中，VAO不是可選項 - 沒有VAO的封裝glEnableVertexAttribArray, glVertexAttribPointer和glDrawArrays都會導致GL_INVALID_OPERATION錯誤。這就是為啥我認為頂點屬性應該內(nèi)置于VAO，而非全局狀態(tài)的原因。3.2內(nèi)核手冊也說VAO是必須的，但我只聽說ATI驅(qū)動會拋錯誤。下面描述引用自OpenGL 3.2內(nèi)核手冊

所有與頂點處理有關的數(shù)據(jù)定義都應該封裝在VAO里。 一般VAO邊界包含所有更改vertex array狀態(tài)的命令，比如VertexAttribPointer和EnableVertexAttribArray；所有使用vertex array進行繪制的命令，比如DrawArrays和DrawElements；所有對vertex array狀態(tài)進行查詢的命令（見第6章）。

不管怎樣，我也知道為啥會有人認為頂點屬性應該放在VAO外部。glVertexAttribPointer出現(xiàn)早于VAO，在這段時間里頂點屬性一直被認為是全局狀態(tài)。你應該能看得出VAO是一種改變?nèi)譅顟B(tài)的有效方法。我更傾向于認為是這樣：假如你沒有創(chuàng)建VAO，那OpenGL通過了一個默認的全局VAO。所以當你使用glVertexAttribPointer時，你仍然是在VAO內(nèi)修改頂點屬性，只不過現(xiàn)在從默認的VAO變成你自己創(chuàng)建的VAO。

這里有更多的討論：http://www.opengl.org/discussion_boards/showthread.php/174577-Questions-on-VAOs

代碼解釋

終于！理論已經(jīng)說完了，我們開始編碼。OpenGL對于初學者而言不是特別友好，但如果你理解了之前所介紹的概念（shaders，VBO，VAO）那你就沒啥問題。

打開main.cpp，我們從main()函數(shù)開始。

首先，我們初始化GLFW：

glfwSetErrorCallback(OnError);

if(!glfwInit())

????throwstd::runtime_error("glfwInit?failed");

glfwSetErrorCallback(OnError)這一行告訴GLFW當錯誤發(fā)生時調(diào)用OnError函數(shù)。OnError函數(shù)會拋一個包含錯誤信息的異常，我們能從中發(fā)現(xiàn)哪里出錯了。

然后我們用GLFW創(chuàng)建一個窗口。

glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT,?GL_TRUE);

glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE,?GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR,?3);

glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR,?2);

glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE,?GL_FALSE);

gWindow?=?glfwCreateWindow((int)SCREEN_SIZE.x,?(int)SCREEN_SIZE.y,?"OpenGL?Tutorial",?NULL,?NULL);

if(!gWindow)

????throwstd::runtime_error("glfwCreateWindow?failed.?Can?your?hardware?handle?OpenGL?3.2?");

該窗口包含一個向前兼容的OpenGL 3.2內(nèi)核上下文。假如glfwCreateWindow失敗了，你應該降低OpenGL版本。

創(chuàng)建窗口最后一步，我們應該設置一個“當前”O(jiān)penGL上下文給剛創(chuàng)建的窗口：

1glfwMakeContextCurrent(gWindow);

無論我們調(diào)用哪個OpenGL函數(shù)，都會影響到“當前上下文”。我們只會用到一個上下文，所以設置完后，就別管它了。理論上來說，我們可以有多個窗口，且每個窗口都可以有自己的上下文。

現(xiàn)在我們窗口有了OpenGL上下文變量，我們需要初始化GLEW以便訪問OpenGL接口。

glewExperimental?=?GL_TRUE;?//stops?glew?crashing?on?OSX?:-/

if(glewInit()?!=?GLEW_OK)

????throwstd::runtime_error("glewInit?failed");

這里的GLEW與OpenGL內(nèi)核有點小問題，設置glewExperimental就可以修復，但希望再未來永遠不要發(fā)生。

我們也可以用GLEW再次確認3.2版本是否存在：

if(!GLEW_VERSION_3_2)

????throwstd::runtime_error("OpenGL?3.2?API?is?not?available.");

在LoadShaders函數(shù)中，我們使用本教程提供的tdogl::Shader和tdogl::Program兩個類編譯和鏈接了vertex shader和fragment shader。

std::vector?shaders;

shaders.push_back(tdogl::Shader::shaderFromFile(ResourcePath("vertex-shader.txt"),?GL_VERTEX_SHADER));

shaders.push_back(tdogl::Shader::shaderFromFile(ResourcePath("fragment-shader.txt"),?GL_FRAGMENT_SHADER));

gProgram?=?newtdogl::Program(shaders);

在LoadTriangle函數(shù)中，我們創(chuàng)建了一個VAO和VBO。這是第一步，創(chuàng)建和綁定新的VAO：

glGenVertexArrays(1,?&gVAO);

glBindVertexArray(gVAO);

然后我們創(chuàng)建和綁定新的VBO：

glGenBuffers(1,?&gVBO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,?gVBO);

接著，我們上傳一些數(shù)據(jù)到VBO中。這些數(shù)據(jù)就是三個頂點，每個頂點包含三個GLfloat。

GLfloat?vertexData[]?=?{

????//??X?????Y?????Z

?????0.0f,?0.8f,?0.0f,

????-0.8f,-0.8f,?0.0f,

?????0.8f,-0.8f,?0.0f,

};

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,?sizeof(vertexData),?vertexData,?GL_STATIC_DRAW);

現(xiàn)在緩沖區(qū)包含了三角形的三個頂點，是時候開始設置VAO了。首先，我們應該啟用shader程序中的vert變量。這些變量能被開啟或關閉，默認情況下是關閉的，所以我們需要開啟它。vert變量是一個“屬性變量（attribute variable）”，這也是為何OpenGL函數(shù)名稱中有帶“Attrib”。我們可以在后續(xù)的文章中看到更多類型。

1glEnableVertexAttribArray(gProgram->attrib("vert"));

VAO設置最復雜的部分就是下個函數(shù)：glVertexAttribPointer。讓我們先調(diào)用該函數(shù)，等會解釋。

1glVertexAttribPointer(gProgram->attrib("vert"),?3,?GL_FLOAT,?GL_FALSE,?0,?NULL);

第一個參數(shù)，gProgram->attrib("vert")，這就是那個需要上傳數(shù)據(jù)的shder變量。在這個例子中，我們需要發(fā)數(shù)據(jù)給vertshader變量。

第二個參數(shù)，3表明每個頂點需要三個數(shù)字。

第三個參數(shù)，GL_FLOAT說明三個數(shù)字是GLfloat類型。這非常重要，因為GLdouble類型的數(shù)據(jù)大小跟它是不同的。

第四個參數(shù)，GL_FALSE說明我們不需要對浮點數(shù)進行“歸一化”，假如我們使用了歸一化，那這個值會被限定為最小0，最大1。我們不需要對我們的頂點進行限制，所以這個參數(shù)為false。

第五個參數(shù)，0，該參數(shù)可以在頂點之間有間隔時使用，設置參數(shù)為0，表示數(shù)據(jù)之間沒有間隔。

第六個參數(shù)，NULL，假如我們的數(shù)據(jù)不是從緩沖區(qū)頭部開始的話，可以設置這個參數(shù)來指定。設置該參數(shù)為NULL，表示我們的數(shù)據(jù)從VBO的第一個字節(jié)開始。

現(xiàn)在VBO和VAO都設置完成，我們需要對它們進行解綁定，防止一不小心被哪里給更改了。

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,?0);

glBindVertexArray(0);

到此，shader，VBO和VAO都準備好了。我們可以開始在Render函數(shù)里繪制了。

首先，我們先清空下屏幕，讓它變成純黑色：

glClearColor(0,?0,?0,?1);?//?black

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT?|?GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

然后告訴OpenGL我們要開始使用VAO和shader了：

glUseProgram(gProgram->object());

glBindVertexArray(gVAO);

最后，我們繪制出三角形：

1glDrawArrays(GL_TRIANGLES,?0,?3);

調(diào)用glDrawArrays函數(shù)說明我們需要繪制三角形，從第0個頂點開始，有3個頂點被發(fā)送到shader。OpenGL會在當前VAO范圍內(nèi)確定該從哪里獲取頂點。

頂點將會從VBO中取出并發(fā)送到vertex shader。然后三角形內(nèi)的每個像素會發(fā)送給fragment shader。接著fragment shader將每個像素變成白色。歡呼！

現(xiàn)在繪制結束了，為了安全起見，我們需要將shader和VAO進行解綁定：

glBindVertexArray(0);

glUseProgram(0);

最后一件事，在我們看到三角形之前需要切換幀緩沖：

1glfwSwapBuffers(gWindow);

在幀緩沖被交換前，我們會繪制到一個不可見的離屏（off-screen）幀緩沖區(qū)。當我們調(diào)用glfwSwapBuffers時，離屏緩沖會變成屏幕緩沖，所以我們就能在窗口上看見內(nèi)容了。