1. 初识OpenGL

本文是之前学习OpenGL所做的笔记，现在转到这里。

1.1 OpenGL（Open Graphics Library）

一般它被认为是一个应用程序编程接口（API），它包含了一系列可以操作图形、图像的方法。

然而，OpenGL本身并不是一个API，仅仅是一个规范，由Khronos组织制定并维护，所有版本的OpenGL规范文档都被公开的寄存在Khronos。

OpenGL规范严格规定了每个函数该如何执行，以及它们的输出值。

OpenGL规范并没有规定实现的细节，具体的OpenGL库允许使用不同的实现，只要其功能和结果与规范相匹配。

1.2 核心模式（Core-profile）与立即渲染模式（Immediate mode）

立即渲染模式（固定渲染管线）：该模式下绘制图形很方便，大多数功能都被库隐藏起来，容易使用和理解。但灵活性差，开发者很少能控制OpenGL如何进行计算。

核心模式：要求使用者真正理解OpenGL和图形编程，它有一些难度，然而提供了灵活性和高效率，更重要的是可以更深入的理解图形编程。

注意：当使用新版本的OpenGL特性时，只有新一代的显卡能够支持你的应用程序。这也是为什么大多数开发者基于较低版本的OpenGL编写程序，并有选择的启用新特性。

1.3 扩展（Extension）

当一个显卡公司提出一个新特性或者渲染上的大优化，通常会以扩展的方式在驱动中实现。当这个扩展十分流行或非常有用的时候，它最终将成为未来OpenGL规范的一部分。

使用扩展的代码大多如下：

If (GL_ARB_extension_name)
{
//使用硬件支持的全新的现代特性
}
Else
{
//不支持此扩展：用旧的方式去做
}

1.4 状态机（State Machine）

OpenGL自身是一个巨大的状态机：一个描述OpenGL该如何操作的所有变量的大集合。

OpenGL的状态通常被称为OpenGL上下文（Context）。

我们通常使用如下途径去更改OpenGL状态：设置选项，操作缓冲。最后，我们使用当前OpenGL上下文来渲染。

我们可以通过改变一些上下文变量来改变OpenGl状态，从而告诉OpenGL如何去绘图。其中状态设置函数（Sate-changing Function）会改变上下文，状态使用函数（State-using Function）则会根据当前的状态执行一系列操作。一旦我们改变了OpenGL的状态为绘制线段，下一个绘制命令就会画出线段而不是三角形。

把OpenGL当作一个大状态机，就能更容易理解它的大部分特性。

补漏：什么是状态机？

基本定义：状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。

四大概念：

状态（State）：一个状态机至少要包含两个状态。例如一个自动门，可以开，关。它有open和closed两个状态。

事件（Event）：事件就是执行某个操作的触发条件或者口令。对于自动门，“按下开门按钮”就是一个事件。

动作（Action）：事件发生以后要执行动作。例如事件是“按开门按钮”，动作是“开门”。编程的时候，一个Action一般就对应一个函数。

变换（Transition）：也就是从一个状态变化为另一个状态。例如“开门过程”就是一个变换。

1.5 对象（Object）

OpenGL库内核是一个C库，由于一些C语言结构不易被翻译到其它高层语言，因此OpenGL设计的时候引入了“对象”这一抽象概念。

在OpenGL中一个对象是指一些选项的集合，代表OpenGL状态的一个子集。

比如，我们可以用一个对象来代表绘图窗口的设置，可以设置它的大小，支持的颜色位数等等。可以把对象看作一个C风格的结构体：

Struct object_name{
GLfloat option1;
Gluint option2;
Glchar[] name;
}

OpenGL定义的这些GL原始类型是平台无关的内存排列方式，而int等类型在不同平台上可能有不同的内存排列方式。使用GL原始类型可以保证你的程序在不同的平台上工作一致。

使用一个对象时，通常看起来如下（把OpenGL上下文比作一个大的结构体）：

OpenGL常见工作流

//OpenGL的状态
Struct OpenGL_Context
{
...
Object* object_Window_Target;
...
};

//创建对象
GLuint objectId = 0;
glGenObject(1, &objectId);
//绑定对象至上下文
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, objectId);
//设置GL_WINDOW_TARGET对象的一些选项
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_WIDTH, 800);
glSetObjectOption(GL_WINDOW_TARGET, GL_OPTION_WINDOW_HEIGHT, 600);
//将上下文的GL_WINDOW_TARGET对象设回默认
glBindObject(GL_WINDOW_TARGET, 0);

我们首先创建一个对象，然后用一个id保存它的引用（实际数据被储存在后台）。

然后我们将对象绑定至上下文的目标位置（例子里窗口对象的目标位置被定义成GL_WINDOW_TARGET）。

接下来我们设置窗口的选项。

最后我们通过将目标位置的对象id设回0的方式解绑这个对象。

设置的选项被保存在objectID代表的对象中，一旦我们重新绑定这个对象到GL_WINDOW_TARGET位置，这些选项就会重新生效。

使用对象的一个好处是在程序中，我们不只可以定义一个对象，并设置它们的选项，每个对象都可以是不同的设置。

2. GLFW基础知识及窗口创建

一些针对OpenGL的库可以节约书写操作系统相关代码的时间，提供给我们一个窗口和一个OpenGL上下文用来渲染。教程中所用的库为GLFW，它提供了一些渲染物体所需的最低限度的接口。按流程配置好GLFW和GLAD库之后，我们就可以利用这些库来设置OpenGL上下文，创建窗口了。

在创建窗口之前，可以先了解一下GLFW的窗口相关功能。

2.1 窗口对象

GLFWwindow对象封装了窗口和上下文。它们是用glfwCreatewindow创建的，用glfwDestroyWindow或者glfwTerminate销毁。由于窗口和上下文是不可分割的联系在一起的，所以对象指针同时被作用于上下文和窗口句柄。

2.1.2 窗口创建

窗口及其OpenGL或OpenGL ES上下文是用glfwCreateWindow函数创建的，它返回创建的窗口对象的句柄。例如，创建一个窗口模式（windowed mode）下640*480的窗口，执行以下代码：

GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(640, 480,  “My Title”, NULL, NuLL);

如果窗口创建失败，将返回NULL，因此需要检查返回值。

全屏窗口覆盖显示器的整个显示区域，没有边框或装饰。要创建全屏窗口（Full screen windows），执行以下代码：

GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(640, 480, "My Title", glfwGetPrimaryMonitor(), NULL);

使用glfwSetWindowMonitor函数设置显示器可以使窗口模式变为全屏显示，取消设置的话可以使全屏显示转换为窗口显示。

2.1.3 窗口销毁

当不再需要一个窗口时，用glfwDestroyWindow销毁该窗口。

glfwDestroyWindow(window);

在销毁窗口之前，所有的回调函数都被移除，因此不会再为该窗口传递任何事件。当调用glfwTerminate时，所有剩余的窗口也被销毁。

2.1.4 窗口创建提示

创建窗口和上下文之前，可以设置许多提示。有些影响窗口本身，有些影响帧缓冲区或上下文。：

glfwInit()：初始化GLFW库。

glfwWindowHint()：单独设置整数值提示。

glfwWindowHintString()：单独设置字符串值提示。

glfwDefaultWindowHints()：一次将所有提示重置为默认值。

这些提示分为窗口相关提示（Window related hints），帧缓冲区相关提示（Framebuffer related hints），显示器相关提示（Framebuffer related hints），以及上下文相关提示（Context related hints）。

某些提示是特定于某一平台的，其他平台会忽略他们，设置这些提示不需要特定于平台的头或调用。

2.2 实例化GLFW窗口

了解了一些基本的GLFW的窗口相关功能之后，就可以开始创建GLFW窗口了。

#include <glad/glad.h>//GLAD头文件包含了OpenGL头文件，所以在使用其它依赖于OpenGL的头文件之前要先包含GLAD
#include <GLFW/glfw3.h>
int main()
{
    glfwInit();//初始化GLFW
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);//主版本号，当API以不兼容的方式更改时，该值会增加。
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);//次版本号，当特性被添加到API中时，它会增加，但是它保持向后兼容。
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);//使用核心模式
  
    return 0;
}

2.2.1 glfwInit()与glfwTerminate()

glfwInit()：

在使用大多数GLFW函数之前，必须初始化GLFW。并且在应用程序终止之前，也应该终止GLFW，以便释放在初始化期间或之后分配的任何资源。如果这个函数调用失败，它在返回之前调用glfwTerminate。如果这个函数调用成功，您应该在应用程序退出之前调用glfwTerminate。

glfwTerminate()：

此函数销毁所有剩余的窗口和光标，恢复任何修改的gamma ramps，并释放任何其他分配的资源。调用此函数后，必须再次成功调用glfwInit，才能使用大多数GLFW函数。

2.2.2 glfwCreateWindow函数

该函数创建一个窗口及其相关的OpenGL或OpenGL ES上下文，完整函数名如下：

GLFWwindow * glfwCreateWindow	(int 	width, //以屏幕坐标表示的窗口的期望宽度,必须大于零。
                                 int 	height, //以屏幕坐标表示的窗口期望高度，必须大于零。  
                                 const char * 	title,//窗口标题。
                                 GLFWmonitor * 	monitor,//用于全屏模式的monitor，对于窗口模式为空。
                                 GLFWwindow * 	share //要与其共享资源的上下文的窗口，值为NULL表示不共享资源。
                                 )	

了解了上面几个基础函数之后，我们开始创建一个窗口对象，这个窗口对象存放了所有和窗口相关的数据。

GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);//窗口的宽，高，名称，...,...
if (window == NULL)
{
    std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
    glfwTerminate();
    return -1;
}
glfwMakeContextCurrent(window);

2.2.3 初始化GLAD

GLAD是用来管理OpenGL的函数指针的，所以在调用任何OpenGL的函数之前我们需要初始化GLAD。

//给GLAD传入了用来加载系统相关的OpenGL函数指针地址的函数。
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return -1;
    }

2.2.4 framebuffer_size_callback函数

设置视口，确定OpenGL渲染窗口的尺寸大小，这样OpenGL才只能知道怎样根据窗口大小显示数据和坐标。我们可以通过调用glViewport函数来设置窗口的维度：

glViewport(0, 0, 800, 600);//前两个参数控制窗口左下角的位置，第三个和第四个参数控制渲染窗口的宽度和高度。

设置一个帧缓冲大小函数，当用户改变窗口的大小的时候，视口也应该被调整：

voidframebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height){     glViewport(0, 0, width, height); }

这是一个回调函数，它会在每次窗口大小被调整的时候被调用，我们会在创建窗口之后，渲染循环初始化之前注册这些回调函数。

使用glfwGetKey函数实现输入控制，它需要一个窗口以及一个按键作为输入，这个函数将会返回这个按键是否正在被按下。

voidprocessInput(GLFWwindow *window){    
 if(glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)        
 glfwSetWindowShouldClose(window, true); //按下ESC，关闭GLFW
}

2.2.5 渲染循环

保证主动关闭应用程序之前，它能够不断绘制图像并能够接受用户输入。

为测试起见，教程设置了一个自定义的颜色清空屏幕。在每个新的渲染迭代开始的时候清屏。

glClearColor函数是一个状态设置函数，设置颜色和Alpha值，用于清除颜色缓冲区，需要使用的填充值范围被归一化在（0，1）之间。

而glClear函数则是一个状态使用的函数，利用当前缓冲区清除值（glClearColor、glClearDepth、glClearIndex、glClearStencil、glClearAccum）等函数所指定的值来清除指定的缓冲区。

当调用glClear函数，清除颜色缓冲之后，整个颜色缓冲都会被填充为glClearColor里所设置的颜色。

  while (!glfwWindowShouldClose(window))//glfwWindowShouldClose函数在每次循环开始前检查一次GLFW是否被要求退出，如果是的话该函数返回true，渲染循环结束。
    {
        processInput(window);//循环每次迭代时调用该函数，检测用户是否输入ESC键
        //渲染指令
        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);//清除颜色设置为X色
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);//执行清除
        //检查并调用事件，交换缓冲
        glfwSwapBuffers(window);//glfwSwapBuffers函数会交换颜色缓冲（储存着GLFW窗口每一个像素颜色值的大缓冲），它在这一迭代中被用来绘制，并且将会作为输出显示在屏幕上。
        glfwPollEvents();//glfwPollEvents函数检查是否触发事件（比如键盘输入、鼠标移动）、更新窗口状态，并调用对应地回调函数（可以通过回调方法手动设置）
    }

运行代码之后，屏幕颜色如下：

参考资料：

GLFW: Window guide

LearnOpenGL CN