OpenGL的状态机理解

Posted 2020-08-27

OpenGL是一种状态机模式，比如你用glEnable打开一个状态，在以后的绘图中将一直保留并应用这个状态，除非你调用glDisable及同类函数来改变该状态或程序退出。例如当前颜色是一个状态变量，可以把当前颜色设置为白色、红色或其他任何颜色，在此之后绘制的所有物体都将使用这种颜色，直到把当前颜色设置为其他颜色。

 

除当前颜色之外，OpenGL绝大多数函数都是一种状态机，如控制当前视图和投影变换、直线和多边形点画模式、多边形绘图模式、像素包装约定、光照的位置和特征以及被绘制物体的材料属性等。

 

前一段时间里，论坛有位朋友问什么是状态机。按我的理解，状态机就是一种存在于理论中的机器，它具有以下的特点：
1. 它有记忆的能力，能够记住自己当前的状态。
2. 它可以接收输入，根据输入的内容和自己的状态，修改自己的状态，并且可以得到输出。
3. 当它进入某个特殊的状态（停机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。


理论说起来很抽象，但实际上是很好理解的。
首先，从本质上讲，我们现在的电脑就是典型的状态机。可以对照理解：
1. 电脑的存储器（内存、硬盘等等），可以记住电脑自己当前的状态（当前安装在电脑中的软件、保存在电脑中的数据，其实都是二进制的值，都属于当前的状态）。
2. 电脑的输入设备接收输入（键盘输入、鼠标输入、文件输入），根据输入的内容和自己的状态（主要指可以运行的程序代码），修改自己的状态（修改内存中的值），并且可以得到输出（将结果显示到屏幕）。
3. 当它进入某个特殊的状态（关机状态）的时候，它不再接收输入，停止工作。 

OpenGL也可以看成这样的一种机器。让我们先对照理解一下：
1. OpenGL可以记录自己的状态（比如：当前所使用的颜色、是否开启了混合功能，等等，这些都是要记录的）
2. OpenGL可以接收输入（当我们调用OpenGL函数的时候，实际上可以看成OpenGL在接收我们的输入），根据输入的内容和自己的状态，修改自己的状态，并且可以得到输出（比如我们调用glColor3f，则OpenGL接收到这个输入后会修改自己的“当前颜色”这个状态；我们调用glRectf，则OpenGL会输出一个矩形）
3. OpenGL可以进入停止状态，不再接收输入。这个可能在我们的程序中表现得不太明显，不过在程序退出前，OpenGL总会先停止工作的。 

还是没理解？呵呵，看来这真不是个好的开始呀，难得等了这么久，好不容易教程有更新了，怎么如此的难懂啊？？没关系，实在没理解，咱就不理解它了。接着往下看。
为什么我要提到“状态机”这个枯燥的、晦涩的概念呢？其实它可以帮助我们理解一些东西。
比如我在前面的教程里面，经常说：
可以使用glColor*函数来选择一种颜色，以后绘制的所有物体都是这种颜色，除非再次使用glColor*函数重新设定。
可以使用glTexCoord*函数来设置一个纹理坐标，以后绘制的所有物体都是采用这种纹理坐标，除非再次使用glTexCoord*函数重新设置。
可以使用glBlendFunc函数来指定混合功能的源因子和目标因子，以后绘制的所有物体都是采用这个源因子和目标因子，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
可以使用glLight*函数来指定光源的位置、颜色，以后绘制的所有物体都是采用这个光源的位置、颜色，除非再次使用glBlendFunc函数重新指定。
……
呵呵，很繁，是吧？“状态机”可以简化这个描述。
OpenGL是一个状态机，它保持自身的状态，除非用户输入一条命令让它改变状态。
颜色、纹理坐标、源因子和目标因子、光源的各种参数，等等，这些都是状态，所以这一句话就包含了上面叙述的所有内容。
此外，“是否启用了光照”、“是否启用了纹理”、“是否启用了混合”、“是否启用了深度测试”等等，这些也都是状态，也符合上面的描述：OpenGL会保持状态，除非我们调用OpenGL函数来改变它。

取得OpenGL的当前状态 OpenGL保存了自己的状态，我们可以通过一些函数来取得这些状态。 首先来说一些启用/禁用的状态。 我们通过glEnable来启用状态，通过glDisable来禁用它们。例如： glEnable(GL_DEPTH_TEST); glEnable(GL_BLEND); glEnable(GL_CULL_FACE); glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_TEXTURE_2D); 可以用glIsEnabled函数来检测这些状态是否被开启。例如： glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST); glIsEnabled(GL_BLEND); glIsEnabled(GL_CULL_FACE); glIsEnabled(GL_LIGHTING); glIsEnabled(GL_TEXTURE_2D); 如果状态是开启的，则glIsEnabled函数返回GL_TRUE（这是一个不为零的常量，一般被定义为1）；否则返回GL_FALSE（这是一个常量，其值为零） 我们可以在程序里面写：  if( glIsEnabled(GL_BLEND) ) {      // 当前开启了混合功能 } else {      // 当前没有开启混合功能 } 再看其它类型的状态。 比如当前颜色，其值是四个浮点数，当前设置的直线宽度，其值是一个浮点数，当前的视口（Viewport，参见第五课），其值是四个整数。 为了取得整数类型、浮点数类型的状态，OpenGL提供了glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev这四个函数。调用函数时，指定需要得到的状态的名称，以及需要将状态值存放到的位置（一个指针），则这四个函数可以把状态值存放到指针所值位置。例如： // 取得当前的直线宽度 GLfloat lw; glGetFloatv(GL_LINE_WIDTH, &lw); // 取得当前的颜色 GLfloat cc[4]; glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc); // 取得当前的视口 GLint viewport[4]; glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport); 说明： 1. 注意元素的个数。比如GL_LINE_WIDTH状态只有一个值，而GL_CURRENT_COLOR有四个值。应该小心的定义变量或者数组，避免下标越界。 2. 使用四个不同的函数，同一种状态也可以返回为不同类型的值。比如要得到当前的颜色，一般可以返回GLfloat类型或者GLdouble类型。代码如下：  GLfloat cc[4]; GLdouble dcc[4]; glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc); glGetDoublev(GL_CURRENT_COLOR, dcc); glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev这四个函数可以得到OpenGL中多数的状态，但是还有一些状态不便用这四个函数来取得。比如光源的状态，因为可能有多个光源，所以不可能使用类似glGetFloatv(GL_LIGHT_POSITION, pos);这样的方法来得到光源位置。为了解决这个问题，OpenGL专门提供了glGetLight*系列函数，来取得光源的状态。 类似的，还有glGetMaterial*, glGetTexParameter*等，每个函数都有自己的适用范围。

设置OpenGL状态
呵呵，读者可能会有疑问。既然有getXXX这样的函数来取得OpenGL的状态，那么为什么没有setXXX这样的函数来设置OpenGL状态呢？
答案很简单，因为OpenGL已经提供了大量的函数来设置状态了：glColor*, glMaterial*, glEnable, glDisable, 等等，大多数OpenGL函数都是用来设置OpenGL状态的，因此不需要再设计一个setXXX函数来设置OpenGL状态。