LearnOpenGL

程序员文章站 2022-07-04 11:07:35

...

OpenGL：一个定义了函数布局和输出的图形API的正式规范。
GLAD：一个拓展加载库，用来为我们加载并设定所有OpenGL函数指针，从而让我们能够使用所有（现代）OpenGL函数。
视口(Viewport)：我们需要渲染的窗口。
图形管线(Graphics Pipeline)：一个顶点在呈现为像素之前经过的全部过程。
着色器(Shader)：一个运行在显卡上的小型程序。很多阶段的图形管道都可以使用自定义的着色器来代替原有的功能。
标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates, NDC)：顶点在通过在剪裁坐标系中剪裁与透视除法后最终呈现在的坐标系。所有位置在NDC下-1.0到1.0的顶点将不会被丢弃并且可见。
顶点缓冲对象(Vertex Buffer Object)：一个调用显存并存储所有顶点数据供显卡使用的缓冲对象。
顶点数组对象(Vertex Array Object)：存储缓冲区和顶点属性状态。
索引缓冲对象(Element Buffer Object)：一个存储索引供索引化绘制使用的缓冲对象。
Uniform：一个特殊类型的GLSL变量。它是全局的（在一个着色器程序中每一个着色器都能够访问uniform变量），并且只需要被设定一次。
纹理(Texture)：一种包裹着物体的特殊类型图像，给物体精细的视觉效果。
纹理缠绕(Texture Wrapping)：定义了一种当纹理顶点超出范围(0, 1)时指定OpenGL如何采样纹理的模式。
纹理过滤(Texture Filtering)：定义了一种当有多种纹素选择时指定OpenGL如何采样纹理的模式。这通常在纹理被放大情况下发生。
多级渐远纹理(Mipmaps)：被存储的材质的一些缩小版本，根据距观察者的距离会使用材质的合适大小。
stb_image.h：图像加载库。
纹理单元(Texture Units)：通过绑定纹理到不同纹理单元从而允许多个纹理在同一对象上渲染。
向量(Vector)：一个定义了在空间中方向和/或位置的数学实体。
矩阵(Matrix)：一个矩形阵列的数学表达式。
GLM：一个为OpenGL打造的数学库。
局部空间(Local Space)：一个物体的初始空间。所有的坐标都是相对于物体的原点的。
世界空间(World Space)：所有的坐标都相对于全局原点。
观察空间(View Space)：所有的坐标都是从摄像机的视角观察的。
裁剪空间(Clip Space)：所有的坐标都是从摄像机视角观察的，但是该空间应用了投影。这个空间应该是一个顶点坐标最终的空间，作为顶点着色器的输出。OpenGL负责处理剩下的事情（裁剪/透视除法）。
屏幕空间(Screen Space)：所有的坐标都由屏幕视角来观察。坐标的范围是从0到屏幕的宽/高。
LookAt****矩阵：一种特殊类型的观察矩阵，它创建了一个坐标系，其中所有坐标都根据从一个位置正在观察目标的用户旋转或者平移。
欧拉角(Euler Angles)：被定义为偏航角(Yaw)，俯仰角(Pitch)，和滚转角(Roll)从而允许我们通过这三个值构造任何3D方向。

你好三角形

图形渲染管线的每个阶段的抽象展示。要注意蓝色部分代表的是我们可以注入自定义的着色器的部分。

着色器练习

\1. 修改顶点着色器让三角形上下颠倒

gl_Position = vec4(aPos.x, -aPos.y, aPos.z, 1.0);

\2. 使用uniform定义一个水平偏移量，在顶点着色器中使用这个偏移量把三角形移动到屏幕右侧

// In your CPP file:

float offset = 0.5f;

ourShader.setFloat(“xOffset”, offset);

// In your vertex shader:

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 aPos;

layout (location = 1) in vec3 aColor;

out vec3 ourColor;

uniform float xOffset;

void main()

{

gl_Position = vec4(aPos.x + xOffset, aPos.y, aPos.z, 1.0);

ourColor = aColor;

}

\3. 使用out关键字把顶点位置输出到片段着色器，并将片段的颜色设置为与顶点位置相等（来看看连顶点位置值都在三角形中被插值的结果）。做完这些后，尝试回答下面的问题：为什么在三角形的左下角是黑的?

// Vertex shader:

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 aPos;

layout (location = 1) in vec3 aColor;

// out vec3 ourColor;

out vec3 ourPosition;

void main()

{

gl_Position = vec4(aPos, 1.0);

// ourColor = aColor;

ourPosition = aPos;

}

// Fragment shader:

#version 330 core

out vec4 FragColor;

// in vec3 ourColor;

in vec3 ourPosition;

void main()

{

FragColor = vec4(ourPosition, 1.0);

}

仔细考虑一下：片段颜色的输出等于三角形的（插值）坐标。三角形左下角的坐标是什么？这是（-0.5f，-0.5f，0.0f）。由于xy值为负，因此将它们限制为0.0f。这一直发生到三角形的中心，因为从该点开始，值将再次被正插值。 0.0f的值当然是黑色的，这说明了三角形的黑色面。

左下角的坐标为（-0.5，-0.5，0）而颜色的范围是（0，1）小于0黑色大于1白色

纹理练习

1、修改片段着色器，仅让笑脸图案朝另一个方向看，

#version 330 core

out vec4 FragColor;

in vec3 ourColor;

in vec2 TexCoord;

uniform sampler2D ourTexture1;

uniform sampler2D ourTexture2;

void main()

{

FragColor = mix(texture(ourTexture1, TexCoord), texture(ourTexture2, vec2(1.0 - TexCoord.x, TexCoord.y)), 0.2);

}

2、尝试用不同的纹理环绕方式，设定一个从0.0f到2.0f范围内的（而不是原来的0.0f到1.0f）纹理坐标。试试看能不能在箱子的角落放置4个笑脸：参考解答，结果。记得一定要试试其它的环绕方式。

改变纹理坐标和环绕方式

3、使用一个uniform变量作为mix函数的第三个参数来改变两个纹理可见度，使用上和下键来改变箱子或笑脸的可见度：参考解答。

在片段着色器加入一个uniform类型的变量factor 控制两个纹理可见度

在设置一个全局变量factor 键盘控制它的大小从而改变两个纹理可见度的值

在输入监听GLFWwindow中:

If(glfwGetKey(window,GLFW_KEY_UP) == GLFW_PRESS)

{

Factor +=0.01f;

}

变换

如何把矩阵传递给着色器？

我们在前面简单提到过GLSL里也有一个mat4类型。所以我们将修改顶点着色器让其接收一个mat4的uniform变量，然后再用矩阵uniform乘以位置向量：

//获取uniform变量地址

unsigned int transformLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, “transform”);

//传递到着色器

glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(trans));

变换练习

尝试再次调用glDrawElements画出第二个箱子，只使用变换将其摆放在不同的位置。让这个箱子被摆放在窗口的左上角，并且会不断的缩放（而不是旋转）。（sin函数在这里会很有用，不过注意使用sin函数时应用负值会导致物体被翻转）：

**这个代码是变换练习3.MP4

// create transformations

glm::mat4 transform = glm::mat4(1.0f); // make sure to initialize matrix to identity matrix first

transform = glm::translate(transform, glm::vec3(0.5f, -0.5f, 0.0f));

transform = glm::rotate(transform, (float)glfwGetTime(), glm::vec3(0.0f, 0.0f,1.0f));

transform = glm::scale(transform, glm::vec3(0.5, 0.5, 0.5));//缩放

// get matrix’s uniform location and set matrix

ourShader.use();

unsigned int transformLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, “transform”); //获取uniform变量地址

glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(transform));//传递到着色器

//ourShader.setFloat(“xOffset”, offset);

glBindVertexArray(VAO); // seeing as we only have a single VAO there’s no need to bind it every time, but we’ll do so to keep things a bit more organized

//glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

// glBindVertexArray(0); // no need to unbind it every time

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

// second transformation

// ---------------------

transform = glm::mat4(1.0f); //它重置为单位矩阵

transform = glm::translate(transform, glm::vec3(-0.5f, 0.5f, 0.0f));

transform = glm::rotate(transform, (float)glm::cos(glfwGetTime()), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

float scaleAmount = sin(glfwGetTime());

transform = glm::scale(transform, glm::vec3(scaleAmount, scaleAmount, scaleAmount));

glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, &transform[0][0]); // 这次将矩阵值数组的第一个元素作为它的内存指针值

//现在用新的变换替换了统一矩阵，再画一遍

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);

坐标系统

1、局部坐标是对象相对于局部原点的坐标，也是物体起始的坐标。

2、下一步是将局部坐标变换为世界空间坐标，世界空间坐标是处于一个更大的空间范围的。这些坐标相对于世界的全局原点，它们会和其它物体一起相对于世界的原点进行摆放。

3、接下来我们将世界坐标变换为观察空间坐标，使得每个坐标都是从摄像机或者说观察者的角度进行观察的。

4、坐标到达观察空间之后，我们需要将其投影到裁剪坐标。裁剪坐标会被处理至-1.0到1.0的范围内，并判断哪些顶点将会出现在屏幕上。

5、最后，我们将裁剪坐标变换为屏幕坐标，我们将使用一个叫做视口变换(Viewport Transform)的过程。视口变换将位于-1.0到1.0范围的坐标变换到由glViewport函数所定义的坐标范围内。最后变换出来的坐标将会送到光栅器，将其转化为片段。

//创建模型矩阵

glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);

model = glm::rotate(model, glm::radians(-55.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));//通过将顶点坐标乘以这个模型矩阵，我们将该顶点坐标变换到世界坐标。

//创建视图矩阵

glm::mat4 view=glm::mat4(1.0f);;

// 注意，我们将矩阵向我们要进行移动场景的反方向移动。

view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -3.0f)); //将世界坐标变换为观察空间坐标

//创建投影矩阵

glm::mat4 projection= glm::mat4(1.0f);;

projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), float(SCR_WIDTH) / float(SCR_HEIGHT), 0.1f, 100.0f);//将投影到裁剪坐标。裁剪坐标会被处理至-1.0到1.0的范围内，并判断哪些顶点将会出现在屏幕上。

//传递着色器（在循环渲染中）

glUniformMatrix4fv(modelLocation, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));//传递到着色器

glUniformMatrix4fv(viewLocation, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));

glUniformMatrix4fv(projectionLocation, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));

正方体随着时间旋转

model = glm::rotate(model, (float)glfwGetTime() * glm::radians(50.0f), glm::vec3(0.5f, 1.0f, 0.0f));

这里出现一个问题就是旋转速度特别特别快？

这是因为我们没有在循环渲染里初始化model矩阵

坐标系统练习

对GLM的projection函数中的FoV和aspect-ratio参数进行实验。看能否搞懂它们是如何影响透视平截头体的

Fov代表视角视角大看得远东西小视角小看得近东西大

FOV 45

FOV25

2、将观察矩阵在各个方向上进行位移，来看看场景是如何改变的。注意把观察矩阵当成摄像机对象。

View //将世界坐标变换为观察空间坐标 // 注意，我们将矩阵向我们要进行移动场景的反方向移动。

view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f));

感觉摄像机在箱子的内心中心

★view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -3.0f));

感觉摄像机在所有箱子的远处视野比较清楚

view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f));

感觉摄像机贴在了箱子的脸上

控制相机定义全局变量 offsteX offsteY offsteZ

在循环渲染中先初始化一个矩阵

glm::mat4 trans = glm::mat4(1.0f);

trans = glm::translate(model, glm::vec3(offsetX, offsteY, offsteZ));

ourShader.setMat4(“projection”, projection*trans);

然后通过键盘输入控制offset值的大小来控制照相机的位置

3、使用模型矩阵只让是3倍数的箱子旋转（以及第1个箱子），而让剩下的箱子保持静止

摄像机

摄像机位置

获取摄像机位置很简单。摄像机位置简单来说就是世界空间中一个指向摄像机位置的向量。我们把摄像机位置设置为上一节中的那个相同的位置：

glm::vec3 cameraPos = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f);

不要忘记正z轴是从屏幕指向你的，如果我们希望摄像机向后移动，我们就沿着z轴的正方向移动。

摄像机方向

下一个需要的向量是摄像机的方向，这里指的是摄像机指向哪个方向。现在我们让摄像机指向场景原点：(0, 0, 0)。还记得如果将两个矢量相减，我们就能得到这两个矢量的差吗？用场景原点向量减去摄像机位置向量的结果就是摄像机的指向向量。由于我们知道摄像机指向z轴负方向，但我们希望方向向量(Direction Vector)指向摄像机的z轴正方向。如果我们交换相减的顺序，我们就会获得一个指向摄像机正z轴方向的向量：

glm::vec3 cameraTarget = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f); glm::vec3 cameraDirection = glm::normalize(cameraPos - cameraTarget);

方向向量(Direction Vector)并不是最好的名字，因为它实际上指向从它到目标向量的相反方向（译注：注意看前面的那个图，蓝色的方向向量大概指向z轴的正方向，与摄像机实际指向的方向是正好相反的）。

摄像机观察物体以一个圆周运动观察

在循环渲染中的代码：

glm::mat4 view = glm::mat4(1.0f);

float radius = 10.0f;

float camX = sin(glfwGetTime()) * radius;

float camZ = cos(glfwGetTime()) * radius;

view = glm::lookAt(glm::vec3(camX, 1.0f, camZ), glm::vec3(0.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0));

ourShader.setMat4(“view”, view);

光照

基础光照

计算漫反射光照需要什么？

法向量：一个垂直于顶点表面的向量。
定向的光线：作为光源的位置与片段的位置之间向量差的方向向量。为了计算这个光线，我们需要光的位置向量和片段的位置向量。

计算漫反射光照的步骤：

1、需要光源的位置向量和片段的位置向量。由于光源的位置是一个静态变量，我们可以简单地在片段着色器中把它声明为uniform：uniform vec3 lightPos;

然后在渲染循环中（渲染循环的外面也可以，因为它不会改变）更新uniform。我们使用在前面声明的lightPos向量作为光源位置：

lightingShader.setVec3(“lightPos”, lightPos);

2、需要片段的位置。我们会在世界空间中进行所有的光照计算，因此我们需要一个在世界空间中的顶点位置。我们可以通过把顶点位置属性乘以模型矩阵（不是观察和投影矩阵）来把它变换到世界空间坐标。这个在顶点着色器中很容易完成，所以我们声明一个输出变量，并计算它的世界空间坐标：

out vec3 FragPos; out vec3 Normal;

void main()

{ gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));

Normal = aNormal; }

光照贴图

漫反射贴图 + 镜面光贴图

像在[之前](https://learnopengl-cn.github.io/01 Getting started/06 Textures/)教程中详细讨论过的纹理，而这基本就是这样：一个纹理。我们仅仅是对同样的原理使用了不同的名字：其实都是使用一张覆盖物体的图像，让我们能够逐片段索引其独立的颜色值。在光照场景中，它通常叫做一个漫反射贴图(Diffuse Map)（3D艺术家通常都这么叫它），它是一个表现了物体所有的漫反射颜色的纹理图像。

注意我们将在片段着色器中再次需要纹理坐标，所以我们声明一个额外的输入变量。接下来我们只需要从纹理中采样片段的漫反射颜色值即可：

vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));

不要忘记将环境光得材质颜色设置为漫反射材质颜色同样的值。

vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));

镜面高光的强度可以通过图像每个像素的亮度来获取。镜面光贴图上的每个像素都可以由一个颜色向量来表示，比如说黑色代表颜色向量vec3(0.0)，灰色代表颜色向量vec3(0.5)。在片段着色器中，我们接下来会取样对应的颜色值并将它乘以光源的镜面强度。一个像素越「白」，乘积就会越大，物体的镜面光分量就会越亮。

由于箱子大部分都由木头所组成，而且木头材质应该没有镜面高光，所以漫反射纹理的整个木头部分全部都转换成了黑色。箱子钢制边框的镜面光强度是有细微变化的，钢铁本身会比较容易受到镜面高光的影响，而裂缝则不会。

采样镜面光贴图

镜面光贴图和其它的纹理非常类似，所以代码也和漫反射贴图的代码很类似。记得要保证正确地加载图像并生成一个纹理对象。由于我们正在同一个片段着色器中使用另一个纹理采样器，我们必须要对镜面光贴图使用一个不同的纹理单元（见[纹理](https://learnopengl-cn.github.io/01 Getting started/06 Textures/)），所以我们在渲染之前先把它绑定到合适的纹理单元上：

lightingShader.setInt("material.specular", 1);
...
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, specularMap);

接下来更新片段着色器的材质属性，让其接受一个sampler2D而不是vec3作为镜面光分量：

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float     shininess;
};

最后我们希望采样镜面光贴图，来获取片段所对应的镜面光强度：

vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));  
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);

通过使用镜面光贴图我们可以可以对物体设置大量的细节，比如物体的哪些部分需要有闪闪发光的属性，我们甚至可以设置它们对应的强度。镜面光贴图能够在漫反射贴图之上给予我们更高一层的控制。

学习使用工具imgui

首先GitHub下载imgui 之后导入相关的包

生成解决方案会出现无法解析外部符号_gl3wViewport （库）

Example_glfw_opengll3案例的默认使用#include <GLFW/glfw3.h>

我们默认使用的是#include <glad.h>

在imconfig.h（配置文件）头文件加入一句声明 #define IMGUI_IMPL_OPENGL_LOADER_GLAD(定义加载器)

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着色器练习

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变换

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