第四课：彩色立方体

OpenGL 教程

欢迎来到第四课！您将学到：

• 绘制立方体，向单调的三角形说再见
• 加上绚丽的色彩
• 深度缓存（Z-Buffer）

绘制立方体

立方体有六个方形表面，而OpenGL只支持画三角形，因此需要画12个三角形，每个面两个。我们用定义三角形顶点的方式来定义这些顶点。

    // Our vertices. Tree consecutive floats give a 3D vertex; Three consecutive vertices give a triangle.
    // A cube has 6 faces with 2 triangles each, so this makes 6*2=12 triangles, and 12*3 vertices
    static const GLfloat g_vertex_buffer_data[] = {
        -1.0f,-1.0f,-1.0f, // triangle 1 : begin
        -1.0f,-1.0f, 1.0f,
        -1.0f, 1.0f, 1.0f, // triangle 1 : end
        1.0f, 1.0f,-1.0f, // triangle 2 : begin
        -1.0f,-1.0f,-1.0f,
        -1.0f, 1.0f,-1.0f, // triangle 2 : end
        1.0f,-1.0f, 1.0f,
        -1.0f,-1.0f,-1.0f,
        1.0f,-1.0f,-1.0f,
        1.0f, 1.0f,-1.0f,
        1.0f,-1.0f,-1.0f,
        -1.0f,-1.0f,-1.0f,
        -1.0f,-1.0f,-1.0f,
        -1.0f, 1.0f, 1.0f,
        -1.0f, 1.0f,-1.0f,
        1.0f,-1.0f, 1.0f,
        -1.0f,-1.0f, 1.0f,
        -1.0f,-1.0f,-1.0f,
        -1.0f, 1.0f, 1.0f,
        -1.0f,-1.0f, 1.0f,
        1.0f,-1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f,-1.0f,-1.0f,
        1.0f, 1.0f,-1.0f,
        1.0f,-1.0f,-1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f,-1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f,-1.0f,
        -1.0f, 1.0f,-1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f,
        -1.0f, 1.0f,-1.0f,
        -1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f, 1.0f, 1.0f,
        -1.0f, 1.0f, 1.0f,
        1.0f,-1.0f, 1.0f
    };

OpenGL的缓冲由一些标准的函数（glGenBuffers, glBindBuffer, glBufferData, glVertexAttribPointer）来创建、绑定、填充和配置；若有遗忘，可参见第二课。绘制的调用也没变，只需改变绘制的点的个数：

    // Draw the triangle !
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 12*3); // 12*3 indices starting at 0 -> 12 triangles -> 6 squares

关于这段代码，有几点要说明一下：

• 截至目前我们使用的三维模型都是固定的：只能在源码中修改模型，重新编译，然后祈祷不要出什么差错。我们将在第七课中学习如何动态地加载模型。
• 实际上，每个顶点至少出现了三次（在以上代码中搜索“-1.0f,-1.0f,-1.0f”看看）。这严重浪费了内存空间。我们将在第九课中学习怎样对此进行优化。

现在您已具备绘制一个白色立方体的所有条件。试着让着色器运行起来吧

增色添彩

从概念上讲，颜色与位置是一回事：就是数据嘛。OpenGL术语中称之为“属性（attribute）”。其实我们之前已用glEnableVertexAttribArray()和glVertexAttribPointer()设置过属性了。现在加上颜色属性，代码很相似。

首先声明颜色：每个顶点一个RGB三元组。这里随机生成一些颜色，所以效果看起来可能不太好；您可以调整得更好些，例如把顶点的位置作为颜色值。

    // One color for each vertex. They were generated randomly.
    static const GLfloat g_color_buffer_data[] = {
        0.583f,  0.771f,  0.014f,
        0.609f,  0.115f,  0.436f,
        0.327f,  0.483f,  0.844f,
        0.822f,  0.569f,  0.201f,
        0.435f,  0.602f,  0.223f,
        0.310f,  0.747f,  0.185f,
        0.597f,  0.770f,  0.761f,
        0.559f,  0.436f,  0.730f,
        0.359f,  0.583f,  0.152f,
        0.483f,  0.596f,  0.789f,
        0.559f,  0.861f,  0.639f,
        0.195f,  0.548f,  0.859f,
        0.014f,  0.184f,  0.576f,
        0.771f,  0.328f,  0.970f,
        0.406f,  0.615f,  0.116f,
        0.676f,  0.977f,  0.133f,
        0.971f,  0.572f,  0.833f,
        0.140f,  0.616f,  0.489f,
        0.997f,  0.513f,  0.064f,
        0.945f,  0.719f,  0.592f,
        0.543f,  0.021f,  0.978f,
        0.279f,  0.317f,  0.505f,
        0.167f,  0.620f,  0.077f,
        0.347f,  0.857f,  0.137f,
        0.055f,  0.953f,  0.042f,
        0.714f,  0.505f,  0.345f,
        0.783f,  0.290f,  0.734f,
        0.722f,  0.645f,  0.174f,
        0.302f,  0.455f,  0.848f,
        0.225f,  0.587f,  0.040f,
        0.517f,  0.713f,  0.338f,
        0.053f,  0.959f,  0.120f,
        0.393f,  0.621f,  0.362f,
        0.673f,  0.211f,  0.457f,
        0.820f,  0.883f,  0.371f,
        0.982f,  0.099f,  0.879f
    };

缓冲的创建、绑定和填充方法与之前一样：

    GLuint colorbuffer;
    glGenBuffers(1, &colorbuffer);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorbuffer);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(g_color_buffer_data), g_color_buffer_data, GL_STATIC_DRAW);

配置也一样：

    // 2nd attribute buffer : colors
    glEnableVertexAttribArray(1);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorbuffer);
    glVertexAttribPointer(
        1,                                // attribute. No particar reason for 1, but must match the layout in the shader.
        3,                                // size
        GL_FLOAT,                         // type
        GL_FALSE,                         // normazed?
        0,                                // stride
        (void*)0                          // array buffer offset
    );

现在在顶点着色器中已经能访问这个新增的缓冲了：

    // Notice that the “1” here equals the “1” in glVertexAttribPointer
    layout(location = 1) in vec3 vertexColor;

这一课的顶点着色器没有什么复杂的效果，仅仅是简单地把颜色传递到片段着色器：

    // Output data ; will be interpolated for each fragment.
    out vec3 fragmentColor;
    void main(){
        [...]
        // The color of each vertex will be interpolated
        // to produce the color of each fragment
        fragmentColor = vertexColor;
    }

在片段着色器中要再次声明片段颜色：

    // Interpolated values from the vertex shaders
    in vec3 fragmentColor;

然后将其拷贝到输出颜色：

    // Ouput data
    out vec3 color; 
    void main(){
        // Output color = color specified in the vertex shader,
        // interpolated between all 3 surrounding vertices
        color = fragmentColor;
    }

于是得到：

呃，太难看了。为了搞清楚出现这种情况原因，我们先看看画一个“远”和“近”的三角形会发生什么：

似乎挺好。现在画“远”三角形：

它遮住了“近”三角形！它本应该在“近”三角形后面的！我们的立方体问题就在这里：一些理应被遮挡的面，因为绘制次序靠后，竟然变成可见的了。我们将用深度缓冲（Z-Buffer）算法解决它。

便签1

如果您没发现问题，把摄像机放到(4,3,-3)试试

便签2

如果“颜色和位置同为属性”，那为什么颜色要声明out vec3 fragmentColor，而位置不需要？实际上，位置有点特殊：它是唯一必须赋初值的（否则OpenGL不知道在哪画三角形）。所以在顶点着色器里，gl_Position是内置变量。

深度缓冲（Z-Buffer）

该问题的解决方案是：在缓冲中存储每个片段的深度（即“Z”值）；并且每次绘制片段之前要比较当前与先前片段的深度值，看谁离摄像机更近。

您可以自己实现深度缓冲，但让硬件自动完成更简单：

// Enable depth test
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// Accept fragment if it closer to the camera than the former one
glDepthFunc(GL_LESS);

问题解决了。

练习

• 在不同的位置画立方体和三角形。您得构造两个MVP矩阵，在主循环中进行两次绘制调用，但只需一个着色器。

• 自己生成颜色值。一些点子：随机生成颜色，这样每次运行时颜色都不同；根据顶点位置生成颜色；把前面两种思路结合起来；或其他创意:)。若您不了解C，参考以下语法：

        static GLfloat g_color_buffer_data[12*3*3];
        for (int v = 0; v < 12*3 ; v++){
            g_color_buffer_data[3*v+0] = your red color here;
            g_color_buffer_data[3*v+1] = your green color here;
            g_color_buffer_data[3*v+2] = your blue color here;
        }

• 完成上面习题后，尝试每帧都改变颜色。您得在每帧都调用glBufferData。请确保已绑定（glBindBuffer）了合适的缓冲！

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