画第一个三角形

描述

这将又是一篇长教程。

用 OpenGL 3 实现复杂的东西很方便；为此付出的代价是，画一个简单的三角形变得比较麻烦。

不要忘了，定期复制粘贴，跑一下代码。

如果程序启动时崩溃了，很可能是你从错误的目录下运行了它。请仔细地阅读第一课中讲到的如何配置Visual Studio！

顶点数组对象(VAO)

你需要创建一个顶点数组对象，并将它设为当前对象（细节暂不深入）：

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

当窗口创建成功后（即 [OpenGL 上下文] 创建后），马上做这一步工作；必须在任何其他 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；但这不是很重要。

屏幕坐标系

三点定义一个三角形。当我们在三维图形学中谈论“点（point）”时，我们经常说“顶点（Vertex）”。一个顶点有三个坐标：X，Y 和 Z。你可以用以下方式来想象这三个坐标：

X 在你的右方 Y 在你的上方 Z 是你背后的方向（是的，背后，而不是你的前方）这里有一个更形象的方法：使用 [右手定则]

X 是你的拇指 Y 是你的食指 Z 是你的中指。如果你把你的拇指指向右边，食指指向天空，那么中指将指向你的背后。让 Z 指往这个方向很奇怪，为什么要这样呢？简单的说：因为基于右手定则的坐标系被广泛使用了 100 多年，它会给你很多有用的数学工具；而唯一的缺点只是 Z 方向不直观。

补充：注意，你可以自由地移动你的手：你的 X，Y 和 Z 轴也将跟着移动（详见后文）。

我们需要三个三维点来组成一个三角形；现在开始：

// 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)。

这意味着除非我们以某种方式变换它，否则它将显示在屏幕的(-1, -1)位置。什么意思呢？ [屏幕的原点在中间]，X 在右方，Y 在上方。屏幕坐标如下图：

screenCoordinates

[该机制内置于显卡]，无法改变。因此(-1, -1)是屏幕的左下角，(1, -1)是右下角，(0, 1) 在中上位置。这个三角形应该占满了大部分屏幕。

画三角形

下一步把这个三角形传给 OpenGL。通过创建一个[缓冲区]完成：

// 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);

这只要做一次。

现在，我们的主循环中，那个之前啥都没有的地方，就能画三角形了：

// 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：

triangle_no_shader

白色略显无聊。怎么把它涂成红色。这就需要用到一个叫『着色器（Shader）』的东西。

着色器

编译着色器

在最简单的配置下，你将需要两个着色器：一个叫[顶点(Vertex)着色器]，它将作用于每个顶点上；另一个叫[片断(Fragment)着色器]，它将作用于每一个[采样点]。我们使用 [4 倍反走样]，因此每像素有四个采样点。

着色器编程使用 [GLSL(GL_Shader_Language，GL 着色语言)]，它是 OpenGL 的一部分。与 C 或 Java 不同，GLSL 必须在运行时编译，这意味着每次启动程序，所有的着色器将重新编译。

这两个着色器通常放在单独的文件里。本例中，我们有 SimpleFragmentShader.fragmentshader 和 SimpleVertexShader.vertexshader 两个着色器。他们的扩展名是无关紧要的，可以是.txt 或者.glsl。

以下是代码。完全理解它不是很重要，因为通常一个程序只做一次，看懂注释就够了。所有其他课程代码都用到了这个函数，所以它被放在一个单独的文件中：common/loadShader.cpp。注意，和缓冲区一样，着色器不能直接访问：我们仅仅有一个编号（ID）。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 : %s\n", 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, "%s\n", &VertexShaderErrorMessage[0]);

    // Compile Fragment Shader
    printf("Compiling shader : %s\n", 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, "%s\n", &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, "%s\n", &ProgramErrorMessage[0]);

    glDeleteShader(VertexShaderID);
    glDeleteShader(FragmentShaderID);

    return ProgramID;
}

我们的顶点着色器

我们先写顶点着色器。

第一行告诉编译器我们将用 OpenGL 3 的语法。

#version 330 core

第二行声明输入数据：

layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;

具体解释一下这一行：

“vec3”在 GLSL 中是一个三维向量。类似于（但不相同）以前我们用来声明三角形的 glm::vec3。最重要的是，如果我们在 C++中使用三维向量，那么在 GLSL 中也使用三维向量。

“layout(location = 0)”指我们用来赋给 vertexPosition_modelspace 这个属性的缓冲区。每个顶点能有多种属性：位置，一种或多种颜色，一个或多个纹理坐标，等等。OpenGL 不知道什么是颜色：它只是看到一个 vec3。因此我们必须告诉它，哪个缓冲对应哪个输入。通过将 glvertexAttribPointer 函数的第一个参数值赋给 layout，我们就完成了这一点。参数值“0”并不重要，它可以是 12（但是不大于 glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &v)）；重要的是两边参数值保持一致。

“vertexPosition_modelspace”这个变量名你可以任取，它将包含每个顶点着色器运行所需的顶点位置值。

“in”的意思是这是一些输入数据。不久我们将会看到“out”关键词。

每个顶点都会调用 main 函数（和 C 语言一样）：

void main(){

我们的 main 函数只是将顶点的位置设为缓冲区里的值，无论这值是多少。因此如果我们给出位置（1,1），那么三角形将有一个顶点在屏幕的右上角。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] 是为数不多的内置变量之一：你必须赋一个值给它。其他操作都是可选的，我们将在第四课中看到“其他操作”指的是什么。

片断着色器

作为第一个片断着色器，只做一个简单的事：设置每个片断的颜色为红色。（记住，每像素有 4 个片断，因为我们用的是 4 倍反走样）

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，蓝这个顺序三元组表示。因此（1,0,0）意思是全红，没有绿色，也没有蓝色。

把它们组合起来

在 main 循环前，调用我们的 [LoadShaders] 函数：

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

现在在 main 循环中，首先清屏：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

然后告诉 OpenGL 你想用你的着色器：

// Use our shader
glUseProgram(programID);

// Draw triangle...

…接着转眼间，这就是你的红色三角形！

red_triangle

下一课中我们将学习变换：如何设置你的相机，移动物体等等。

[i18n] feedback_title

[i18n] feedback_question

Glad to hear it! Please tell us how we can improve.

Sorry to hear that. Please tell us how we can improve.

最后修改 November 1, 2024: update contents (7ebdd57)