OpenGL的前世和今生

这并不是一个恰当的题目，因为我主要想说的是OpenGL的今生，基于OpenGL3.x一种更现代化的方式。但是把前世和今生放在一起在语言上更加连贯，而且适当的了解过去，会帮助理解现在的OpenGL，以一种更彻底更开放的方式拥抱OpenGL的今生。

OpenGL3.x的优势和劣势

OpenGL3.0是新旧的分水岭，在3.0以前的老旧API中包含内建的光照模式（点光源，线光源以及平面光），有方便的矩阵堆栈，有简单的纹理应用程序，有轻松编写代码的立即模式传送数据，总之这些是固定管线的经典OpenGL实现。在OpenGL3.1及以后的版本中这特性都被移除了，无论做什么都要编写一个着色器。OpenGL3.x具有更丰富的渲染效果和更快的渲染速度。可想而知丰富的渲染效果是通过灵活的编写着色器来实现的，在速度方面，新版本中使用VBO（顶点缓冲区）一次性向GPU发送数据的，与此相对旧版本中使用glBegin，glEnd多次向GPU传送数据，因此使用VBO这种方式具有更快的速度。特别是在模型数据特别巨大的时候。当然OpenGL3.x也有不便利的地方，不方便的矩阵处理（这一点其实可以忽略，因为使用glm这个矩阵处理库，所有工作变的更便和有条理），着色器出错不容易调试。深入介绍之前，再来看看新旧版本在形式上的区别，下图左是旧的，下图右是新的。

OpenGL是什么

前面说了很多概念，像着色器，VBO，Glm。如果这些令你很困惑，别担心这些我会在后面的部分进行介绍。重要的是要知道OpenGL是什么，它会给我的工作和生活带来哪些改变。当我面对任何一个新概念的时候我会看wiki上是怎么定义的，当我理解了以后我会用自己的话来叙述它。对我来说，OpenGL是计算机图形处理单元GPU的软件接口，包含了丰富的图形处理函数。可以使用OpenGL生成二维和三维的图像，更简单的可以把OpenGL理解成照相机和摄像机，相机把三维场景投影成二维场景，这一过程对应于OpenGL的静帧渲染；摄像机把三维世界的场景编程视频资料，这一过程对应于OpenGL动态渲染。OpenGL在医疗，教育和游戏中应用广泛，值得一提的是很多手机游戏使用OpenGL ES（OpenGL的移动版）。

计算机图像学

在学习OpenGL之前，最好先来了解一些计算机图像学的知识，这会是我们更透彻地理解OpenGL的工作原理，应用的得心应手。我们经常会看到3D游戏中的虚拟形象，3D动画中的各种离奇角色。那么请思考下，这些计算机是怎么产生这些现实世界中的形象的？大体上说是这样的，美工使用建模软件绘制3D模型，使用OpenGL进行静帧或者动态的渲染。把3D物体渲染成2D照片，这就是计算机图形学的主要目的，这一过程就是渲染（如下图所示）。渲染包含三方面的内容：几何变换，光栅化，着色。

在展开介绍之前，还需要再明确下渲染的输入，3D模型（渲染的对象），虚拟的相机和光源（辅助渲染，模拟真实世界的成像过程）。相机的内参和外参决定了几何变换，光源的位置和属性影响了着色的效果。

几何变换

几何变化的目的是把三维物体投影到屏幕空间。三维模型，或者说三维点云是定义在局部坐标系下（也叫模型坐标系）的，通过几何变换将其变换到屏幕坐标系下。包含以下过程：模型坐标系->世界坐标系->相机坐标系->剪裁坐标系->设备坐标系->屏幕坐标系。涉及到三个变换矩阵，分别是模型矩阵（M），视图矩阵（V），投影矩阵（P）。

光栅化

三维模型是由众多的三角形组成的，这些三角形之间具有一定的拓扑关系。这些三角形经过几何变换投影到了屏幕空间，这些点是连续的，然而最终的图像确是离散的，如何确定一个投影后的三角形所包含的像素点，这就是光栅化的工作。光栅化有很多种方法，常用的是基于边方程和重心坐标插值的光栅化，如下图所示。

着色

光栅化后得到的是没有颜色信息的像素块，怎样把颜色作用到物体上得到最终的像素值，就是着色的内容。OpenGL默认的着色是冯氏着色，冯氏着色是建立在冯关照模型的基础上。冯光照模型刻画了光源作用在物体上的方式，下图体现出了着色的概念。

我只是粗略的介绍了几何变换，光栅化和着色的内涵，在这些概念背后有着众多的细节和复杂的过程。下面是加州大学的计算机图形学课件，很棒。

http://www.cs.ucr.edu/~shinar/courses/cs130-spring-2012/

着色器

OpenGL3.x是用着色进行渲染的，这些着色器包括顶点着色器，片段着色器和几何着色器。前面提到渲染包含几何变换，光栅化和着色。其中几何变换在顶点着色器中完成，着色对应着片段着色的工作，光栅化则是在硬件上自动完成的。至于几何着色器我还不是很了解。下图表达了这种对应关系。

顶点着色器和片段着色器是用GLSL写的程序，GLSL是类似于C的语言，着色器程序是运行在GPU上的，它需要经过编译和链接。下面的程序是建立着色器的标准流程。

其中"simple.vert"，是顶点着色器文件的名字，"simple.frag"是片段着色器的名字。这些文件可以txt格式的。为求简单我们就在txt中编写顶点着色器和片段着色器。下图左是顶点着色器，下图右是片段着色器。

怎样使用OpenGL

配置OpenGL        Window上不支持OpenGL3.x，这需要使用glew扩展库，为了操作矩阵执行几何变换又需要使用glm库，再次避免涉及windows api，使用glfw调用窗口资源。这样的话，为了让OpenGL3.x在我们的电脑上工作，这少配置这三个库。我使用visual studio 2013这个编译器，具体的配置方法，网上都有教程，无非就是定义头文件和库文件路径，链接必要的库文件。另外保证OpenGL3.x能正确工作的很重要一点是，你的图像显卡要支持这个OpenGL版本，可以用GLview软件来查看。

渲染一个三角形        这恐怕是最简单的模型了，仅仅包含三个点的位置信息。使用简单的模型，从简单到复杂是很有效的学习方式。三个点定义如下

着色器编译和链接        这部分是标准的，几乎每个程序都一样，只是要把特定着色器的名字传入到此程序，包含着色器程序的txt文件放在工程文件同一目录下，我们可以顶一个Shader类来完成此部分标准工作。

编写渲染程序        我把渲染程序分成几个阶段，分别是程序初始化（加载着色器），VBO初始化（把顶点的信息装入顶点缓冲区，获得统一值句柄，统一值包括投影矩阵，模型视图矩阵，相机位置，光源位置，光源的其他属性等，在这一示例程序中仅包含前两项），画图（传递统一值，绘制顶点数组序列）。

编写着色器        使用OpenGL默认的着色方式，着色器的代码异常简单。顶点着色器的在txt文件中的内容如下图左，片段的如下图右。

结果        如果每个环节都弄对了会得到下面的结果

总结

首先得承认以上这些粗浅的介绍不足以让你成功运行一个渲染三角形的程序，我只希望这些介绍能给你带来一个对基于着色器编程的现代OpenGL有个整体的认识。关于OpenGL网上有成吨的资料，在成顿的资料中我把最好的跳出来放在下面链接供你学习。从来都不缺乏学习的内容，只是缺乏学习的动力。

http://www.opengl-tutorial.org/

http://antongerdelan.net/opengl/

http://www.songho.ca/opengl/index.html

http://www.arcsynthesis.org/gltut/