Modern OpenGL - 渲染矩体/矩形体/立方体/正方体/长方体

Posted 2023-05-16

参考技术A

Minecraft 中的模型由一个个cube组成，这里的cube不是正方体而是矩体，也就是6个面中的每个面都是矩形。
在 Minecraft 1.16 中，一个cube包含6个quad。假定我们渲染一个普通的完整不透明方块，即一个正方体，那么这个模型的6个面中的每个面有一个quad。一个quad即一个矩形，包含了4个顶点的属性（attribute），因此一个cube便有 4 * 6 = 24 个顶点。
Minecraft 会创建 VBO，将这些 attributes 批量传入OpenGL内置shader，即使用固定管线，传入投影矩阵（projection）并使用 glDrawArrays 在 GL_QUADS 模式下渲染。
那么我们如何在 Modern OpenGL（core-profile）中渲染这个矩体呢？

VBO（Vertex Buffer Object）即顶点缓冲对象，规范于OpenGL 1.5 (2003)。VBO是在显存中分配出的一块内存空间，用于存放大量顶点的属性（attribute），如坐标 position、颜色 color、法向量 normal、纹理映射 uv、光照映射 lightmap等。渲染时，由于VBO的数据是存储在显存中而不是内存中，不需要从CPU向GPU传入数据，GPU可以直接从VBO中按顺序读取数据，且这些数据是对齐的，性能更高。

所有的缓冲对象都由下面的方法所生成一个ID表示：

OpenGL中有各种类型的缓冲对象，VBO所对应的类型为 GL_ARRAY_BUFFER 。我们可以使用 glBindBuffer 同时绑定多个不同类型的缓冲对象。下面的方法可以将当前的 GL_ARRAY_BUFFER 绑定到 VBO_id，当第二个参数为 0 时，即解除绑定（unbind）：

绑定之后，我们对所有 target 为 GL_ARRAY_BUFFER 的操作都会应用到当前所绑定的缓冲对象上，即我们刚刚生成的 VBO_id 。接着我们使用 glBufferData 来复制内存中的数据到缓冲对象中去，即显存里：

这里， size 即数据的大小，单位为字节。 usage 即用途，由频率（frequency）和性质（nature）两部分组成，每个部分有三种选择，可以组合出9种用途。

频率包括：

性质包括：

不同的 usage 所分配的内存空间是不同的，这里我们的VBO用于实时渲染，并且数据内容可能会发生变化（比如坐标），因此我们选择 GL_DYNAMIC_DRAW 。

在顶点着色器（vertex shader）中我们可以定义输入的每个顶点属性的变量名与类型。

我们必须要指定我们VBO的数据是如何布局的，这样着色器才能正确地得到每个顶点的每个属性，这就需要使用 glVertexAttribPointer 。

假设我们的顶点属性中只包含一个坐标，类型为 vec3 ，它的布局如下：

注意： glVertexAttribPointer 最终都会将数据转成浮点型。如果使用 glVertexAttribIPointer ，则会转成整数类型，并且 type 只能 GL_BYTE , GL_UNSIGNED_BYTE , GL_SHORT , GL_UNSIGNED_SHORT , GL_INT 和 GL_UNSIGNED_INT 。这个方法不含 normalized 参数。

调用 glVertexAttribPointer 后，所有的这些配置会被保存成一个状态，这个状态也包括当前所绑定的VBO，这样以后就会从这个VBO中读取数据。如果使用VAO，则该状态会保存进VAO，这样就不再需要绑定VBO，即省事也能提高性能。
所有顶点属性默认都是关闭的，需要使用 glEnableVertexAttribArray 来给出它的 location ，即通用顶点属性的索引。

EBO（Element Buffer Object）即元素缓冲对象，或称为索引缓冲对象，规范于OpenGL 1.5 (2003)。假设我们要渲染的矩体中的顶点属性只包含坐标，那么事实上我们只需要8个坐标而不是24个，这样8个顶点就可以满足需求，同时可以节省显存占用，提高利用率和性能。EBO存储了一个组索引，OpenGL能按照这种顺序使用顶点，这也称为索引绘制（indexed drawing）。

与VBO类似，我们需要绑定EBO并使用 glBufferData 上传数据，但这里的 target 是 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER 。EBO的数据一般不需要修改，所以这里的 usage 使用 GL_STATIC_DRAW 。

VAO（Vertex Array Object）即顶点数组对象，规范于OpenGL 3.0 (2008)。 在Modern OpenGL（core-profile）中必须绑定VAO才能进行渲染。 VAO可以保存我们的顶点属性配置，这样我们只需要配置好一个VAO，就不需要在每次渲染时调用 glVertexAttribPointer 等操作，并且可以轻松在不同的VBO或者是相同的VBO中使用不同的顶点属性配置之间进行切换。当绑定VAO时，会切换 glEnableVertexAttribArray 和 glDisableVertexAttribArray 状态，进行调用 glVertexAttribPointer 的顶点属性配置，并使用某个EBO。

注意，VAO只会与某个EBO相关联而不会与某个VBO相关联，它会与在绑定VAO时调用 glVertexAttribPointer 的顶点属性配置时所绑定的VBO相关联，也就是那时的 GL_ARRAY_BUFFER ，所以不同的VAO可以使用相同的VBO，同时也能使用不同的顶点属性配置。此外，顶点属性默认就是关闭的，所以在某个的VAO内我们只需使用 glEnableVertexAttribArray 而几乎无需使用 glDisableVertexAttribArray ，除非需要重新配置顶点属性。

生成一个VAO：

接着使用 glBindVertexArray 绑定并配置VAO，配置好后解绑表示不再配置该VAO，当需要渲染时，我们只需重新绑定这个VAO即可。注意，VAO只需要在渲染前创建并配置好，通常不在渲染循环中创建。

假定渲染这样一个正方体，0为坐标原点， 01 的方向向量为 x ， 03 的方向向量为 y ， 40 的方向向量为 z ：

OpenGL中渲染任何图形最终只会转换为3种：点，线，三角形。所以我们要渲染正方体的6个面，每个面都是一个矩形，则由两个三角形组成，一共需要渲染12个三角形，即 mode 为 GL_TRIANGLES 。一个三角形需要3个顶点，在OpenGL中默认以逆时针方向为正面，OpenGL 2.0起可以通过 glFrontFace 来设置顺时针还是逆时针方向为正面，这里我们遵循默认行为，则EBO数据：

接着我们再使用 glDrawElements 来进行绘制。因为我们在VAO中已经绑定了EBO，所以 indices 需要传入所使用的EBO数据的指针即可，即起始偏移量（如果没绑定EBO，则为EBO数组的指针）。 type 则指定了EBO的数据类型。VBO只包含一个正方体的数据，所以 count 为 3 * 12 = 36。则渲染循环：

编写shader、投影矩阵、坐标系等较为复杂，这里暂不介绍。回到 Minecraft 中，如果每个面使用不同的纹理，我们还是需要24个顶点，即使有3个顶点的坐标值是相同的，但是其他属性不同，因此不同情况下要采取不同的策略，比如把所有顶点坐标存在一个VBO，其他数据存在另一个VBO等。

本文部分内容翻译自 https://learnopengl.com/ 。

从 Qt creator 访问 Modern OpenGL 函数

【中文标题】从 Qt creator 访问 Modern OpenGL 函数

【英文标题】：Accessing Modern OpenGL functions from Qt creator

【发布时间】：2014-04-30 19:42:47

【问题描述】：

我正在使用 Open GL 3.0

我正在尝试将此示例更新为现代 OpenGL： http://qt-project.org/doc/qt-4.8/opengl-hellogl-es.html

我也在看这个例子： http://qt-project.org/doc/qt-5/qtopengl-cube-example.html

我正在查看 OpenGL ES 示例，因为它们可以在我的机器上轻松编译和渲染，而 OpenGL ES 2 示例使用了一些可编程流水线。

我想使用本教程中引用的管道函数： http://www.opengl-tutorial.org/beginners-tutorials/tutorial-2-the-first-triangle/

例如 glGenBuffers()

然而，这似乎并没有出现在开放的 Qt 中。如果我尝试编译使用 glGenBuffers 或 glBindBuffer 的程序。

为什么我可以使用某些 Open GL 函数而不能使用其他函数？

看第二个例子（OpenGL ES2）有一个类型“QGLShaderProgram”，它似乎包含了一些着色函数，但我不知道如何遵循一个简单的开放 GL 教程，完全访问渲染功能。

例如，openGL 教程引用了至少六个我似乎无法使用的函数。我对此很好，但我似乎无法找到 Qt 人员在哪里解释了哪些功能被包装、或掩盖或不存在。

我可能缺少包含或其他内容吗？

我包括#QGLWidget 和#QtOpenGL

【问题讨论】：

您不必使用包装类。 Qt 提供了一个可以继承的类（例如QGLFunctions 或QOpenGLGLFunctions），如果您的平台支持，它将为您提供在运行时加载的可调用函数。它有点像 GLEW，只是不那么广泛。

我怀疑一个问题是 glGenBuffers 来自 OpenGLES，并非所有版本的 Qt 都支持。

@Jay 不是来自 ES；它来自OpenGL 1.5+。如果 Qt 不支持那么旧的东西，我会感到非常惊讶。

@AndonM.Coleman 我发现了！在正确回答/关闭之前，我正在检查这些功能是否正常工作。

@ColonelThirtyTwo 它在 khronos 上的 opengles 树中列出：khronos.org/opengles/sdk/docs/man/xhtml/glGenBuffers.xml 也许它也被采用到 1.5 版中

【参考方案1】：

请参阅下面我对您问题的回答。但是，您似乎正在寻找一个simpler OpenGL example with Qt，就像您链接到的三角形一样。 I also made an introductory post here 在开始示例之前，您可以在这里学习 Qt 和 OpenGL 如何协同工作的基础知识。

首先现在使用 Qt 5.5。它默认配置了 -opengl 动态选项，这可能会解决您的问题。如果您在 Qt 5.5 之前的版本中没有设置 -opengl 桌面配置选项，那么除了 Qt 支持的所有平台支持的 OpenGL ES 2 子集之外，您将无法访问现代 OpenGL 功能。

其次，不要使用 QGL* 函数或类，因为它们现在已过时/已弃用。它们被 QOpenGL* 函数和类所取代。

至于包含，您将需要一个 QOpenGLFunctions 或 QOpenGLFunctions_3_0 来确定您将获得哪组函数。您还需要任何其他类，例如 QOpenGLBuffer QOpenGLVertexArrayObject... 或者只包含 QtGui，因为这是所有 OpenGL 函数和类现在所在的位置。