第二课：绘制第一个三角形

OpenGL 教程

本课依然是“长篇大论”。

用OpenGL 3绘制复杂的物体很方便，绘制一个简单的三角形却十分麻烦。

别忘了不时地复制粘贴代码，动手调试。

如果程序启动时崩溃了，很可能是您的运行目录有误。请仔细阅读第一课中讲到的Visual Studio配置方法！

顶点数组对象(VAO)

您得创建一个VAO，并将它设为当前对象（暂不详细展开）：

    GLuint VertexArrayID;
    glGenVertexArrays(1, &VertexArrayID);
    glBindVertexArray(VertexArrayID);

窗口创建成功后（即OpenGL上下文创建后）紧接着完成上述动作；这一步必须在其他OpenGL调用前完成。

若想进一步了解顶点数组对象（VAO）可以参考其他教程，不过VAO不是很重要。

屏幕坐标系

三点确定一个三角形。我们常常用“顶点”（Vertex，复数vertices）来指代3D图形学中的点。一个顶点有三个坐标：X，Y和Z。您可以这样想象这三根坐标轴：

• X轴朝右
• Y轴朝上
• Z轴指向您后面（没错，是后面，不是前面）

还有更形象的方法：使用右手定则

• 拇指代表X轴
• 食指代表Y轴
• 中指代表Z轴。如果您的拇指指向右边，食指指向天空，那么中指将指向您的后面。

为什么Z轴方向这么奇怪呢？简言之：因为基于右手定则的坐标系统被广泛使用了100多年，这一系统涵盖了许多实用工具，唯一的缺点就是Z方向比较别扭。

补充说明一下，您的手可以自由移动，X轴，Y轴和Z轴同样也能移动（详见后文）。

我们需要三个三维点来组成一个三角形；下面来定义一个三角形：

    // An array of 3 vectors which represents 3 vertices
    static const GLfloat g_vertex_buffer_data[] = {
       -1.0f, -1.0f, 0.0f,
       1.0f, -1.0f, 0.0f,
       0.0f,? 1.0f, 0.0f,
    };

第一个顶点是(-1, -1, 0)。
这意味着如果不变换该顶点，它就将显示在屏幕的(-1, -1)位置。这是什么意思呢？屏幕的原点在中间，X轴朝右，Y轴朝上。屏幕坐标如下图：

这是显卡内置的坐标系，无法改变。(-1, -1)是屏幕的左下角，(1, -1)是右下角，(0, 1)位于中上部。这个三角形占据了大部分屏幕。

绘制三角形

下一步，通过缓冲把三角形传给OpenGL：

    // This will identify our vertex buffer
    GLuint vertexbuffer;
    // Generate 1 buffer, put the resulting identifier in vertexbuffer
    glGenBuffers(1, &vertexbuffer);
    // The following commands will talk about our 'vertexbuffer' buffer
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
    // Give our vertices to OpenGL.
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(g_vertex_buffer_data), g_vertex_buffer_data, GL_STATIC_DRAW);

这步操作仅需执行一次。

之前在主循环中我们什么也没绘制，现在终于可以绘制三角形了：

    // 1rst attribute buffer : vertices
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
    glVertexAttribPointer(
       0,                  // attribute 0. No particular reason for 0, but must match the layout in the shader.
       3,                  // size
       GL_FLOAT,           // type
       GL_FALSE,           // normalized?
       0,                  // stride
       (void*)0            // array buffer offset
    );
    // Draw the triangle !
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3); // Starting from vertex 0; 3 vertices total -> 1 triangle
    glDisableVertexAttribArray(0);

结果如图（看不到也别慌哦）：

白色太单调了。来看看怎么把它染成红色吧。这就要用到“着色器（Shader）”了。

着色器（Shader）

编译着色器

在最简配置下，您得有两个着色器：一个叫顶点着色器（vertex shader），它将作用于每个顶点上；另一个叫片段着色器（fragment shader），它将作用于每一个采样点。我们采用4倍抗锯齿，因此每个像素有四个采样点。

着色器编程使用GLSL(GL Shading Language)，属于OpenGL的一部分。与C、Java不同，GLSL必须在运行时编译，这意味着每次启动程序时，所有的着色器将重新编译。

这两个着色器通常单独存放在文件里。本例中有SimpleFragmentShader.fragmentshader和SimpleVertexShader.vertexshader两个着色器。扩展名无关紧要，也可以是.txt或者.glsl。

以下是加载着色器的代码。没必要完全理解，因为在程序中这些操作一般只需执行一次，结合注释能看懂就够了。其他课程代码都用到了这个函数，因此将其放在一个单独的文件中：common/loadShader.cpp。注意，着色器和缓冲对象一样不能直接访问：我们仅拥有其ID，其真正的实现隐藏在驱动程序中。

    GLuint LoadShaders(const char * vertex_file_path,const char * fragment_file_path) {
        // Create the shaders
        GLuint VertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
        GLuint FragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
        // Read the Vertex Shader code from the file
        std::string VertexShaderCode;
        std::ifstream VertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);
        if(VertexShaderStream.is_open())
        {
            std::string Line = "";
            while(getline(VertexShaderStream, Line))
                VertexShaderCode += "n" + Line;
            VertexShaderStream.close();
        }
        // Read the Fragment Shader code from the file
        std::string FragmentShaderCode;
        std::ifstream FragmentShaderStream(fragment_file_path, std::ios::in);
        if(FragmentShaderStream.is_open()){
            std::string Line = "";
            while(getline(FragmentShaderStream, Line))
                FragmentShaderCode += "n" + Line;
            FragmentShaderStream.close();
        }
        GLint Result = GL_FALSE;
        int InfoLogLength;
        // Compile Vertex Shader
        printf("Compiling shader : %sn", vertex_file_path);
        char const * VertexSourcePointer = VertexShaderCode.c_str();
        glShaderSource(VertexShaderID, 1, &VertexSourcePointer , NULL);
        glCompileShader(VertexShaderID);
        // Check Vertex Shader
        glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);
        glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
        std::vector VertexShaderErrorMessage(InfoLogLength);
        glGetShaderInfoLog(VertexShaderID, InfoLogLength, NULL, &VertexShaderErrorMessage[0]);
        fprintf(stdout, "%sn", &VertexShaderErrorMessage[0]);
        // Compile Fragment Shader
        printf("Compiling shader : %sn", fragment_file_path);
        char const * FragmentSourcePointer = FragmentShaderCode.c_str();
        glShaderSource(FragmentShaderID, 1, &FragmentSourcePointer , NULL);
        glCompileShader(FragmentShaderID);
        // Check Fragment Shader
        glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);
        glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
        std::vector FragmentShaderErrorMessage(InfoLogLength);
        glGetShaderInfoLog(FragmentShaderID, InfoLogLength, NULL, &FragmentShaderErrorMessage[0]);
        fprintf(stdout, "%sn", &FragmentShaderErrorMessage[0]);
        // Link the program
        fprintf(stdout, "Linking programn");
        GLuint ProgramID = glCreateProgram();
        glAttachShader(ProgramID, VertexShaderID);
        glAttachShader(ProgramID, FragmentShaderID);
        glLinkProgram(ProgramID);
        // Check the program
        glGetProgramiv(ProgramID, GL_LINK_STATUS, &Result);
        glGetProgramiv(ProgramID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
        std::vector ProgramErrorMessage( max(InfoLogLength, int(1)) );
        glGetProgramInfoLog(ProgramID, InfoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);
        fprintf(stdout, "%sn", &ProgramErrorMessage[0]);
        glDeleteShader(VertexShaderID);
        glDeleteShader(FragmentShaderID);
        return ProgramID;
    }

顶点着色器

先写顶点着色器。
第一行告诉编译器我们将用OpenGL 3语法。

    #version 330 core

第二行声明输入数据：

    layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;

下面详细解释这一行：

• 在GLSL中“vec3”代表一个三维向量。类似但不等同于之前声明三角形的glm::vec3。最重要的是，如果我们在C++中使用三维向量，那么在GLSL中也要相应地使用三维向量。
• "layout(location = 0)"指向存储vertexPosition_modelspace属性（attribute）的缓冲。每个顶点有多种属性：位置，一种或多种颜色，一个或多个纹理坐标等等。OpenGL并不清楚什么是颜色，它只能识别vec3这样的数据类型。因此我们必须将glvertexAttribPointer函数的第一个参数值赋给layout，以此告知OpenGL每个缓冲对应的是哪种属性数据。第二个参数“0”并不重要，也可以换成12（但是不能超过glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &v)），关键是C++和GLSL两边数值必须保持一致。
• “vertexPosition_modelspace”这个变量名可以任取，其中保存的是顶点位置，顶点着色器每次运行时都会用到。
• “in”表明是这是输入数据。不久我们将会看到“out”关键字。

每个顶点都会调用main函数（和C语言一样）：

    void main(){

这里的main函数只是简单地将缓冲里的值作为顶点位置。因此如果位置是(1,1)，那么三角形有一个顶点位于屏幕的右上角。
在下一课中我们将看到怎样对输入位置做一些更有趣的计算。

        gl_Position.xyz = vertexPosition_modelspace;
        gl_Position.w = 1.0;
    }

gl_Position是仅有的几个内置变量之一：您必须对其赋值。其他操作都是可选的，我们将在第四课中看到究竟有哪些“其他操作”。

片段着色器

这就是我们的第一个片段着色器，它仅仅简单将每个片段的颜色设为红色。（记住，我们采用了4倍抗锯齿，因此每个像素有4个片段）

    #version 330 core
    out vec3 color;
    void main(){
        color = vec3(1,0,0);
    }

vec3(1,0,0)代表红色。因为在计算机屏幕上，颜色由红、绿、蓝三元组表示。因此(1,0,0)代表纯红色，无绿、蓝分量。

汇总

在主循环之前调用LoadShaders函数：

    // Create and compile our GLSL program from the shaders
    GLuint programID = LoadShaders( "SimpleVertexShader.vertexshader", "SimpleFragmentShader.fragmentshader" );

首先在主循环中清屏。在进入主循环之前调用了glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.4f, 0.0f) ，把背景色设为深蓝色。

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

然后让OpenGL使用您的着色器：

    // Use our shader
    glUseProgram(programID);
    // Draw triangle...

...然后，哒哒，就看到您亲手绘制的红色三角形啦！

下一课中我们将学习变换（transformation）：设置相机，移动物体等等。

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