OpenGL学习笔记（二）渲染管线、FreeGLUT&GLEW、简单示例

1. 渲染管线

主要整理自[1]

图形渲染管线（Graphics Pipeline）

OpenGL是一个3D图形库，即其中的所有事物都存储在3D空间中，而屏幕和窗口中则是显示为2D像素，图形渲染管线的作用就是实现2D坐标和3D坐标之间的互相转换。有以下两个部分：
- 将3D坐标转换为2D坐标；
- 将2D坐标转变为实际有色的像素。
图形渲染管线的各个阶段的展示图如下：
着色器（Shader）是在渲染管线中，每个阶段上运行处理数据的小程序。OpenGL着色器是用OpenGL着色器语言（OpenGL Shading Language, GLSL）写成的。
接下来将逐一介绍渲染管线的各个阶段。

顶点数据（Vertex Data）

顶点数据作为图形渲染管线的输入，是一系列顶点（Vertex）的集合。
顶点是一个3D坐标数据的集合，用顶点属性（Vertex Attribute）表示。
OpenGL中指定的坐标都是3D坐标，但只有在标准化设备坐标（Normalized Device Corrdinates NDC，即三个轴坐标都在-1.0到1.0的范围内）范围内的坐标才能呈现在屏幕上。
- 标准化设备坐标之后会转化为屏幕空间坐标（Screen-space Coordinates），通过glViewport函数提供的数据，进行视口变换（Viewport Transform）完成。
顶点数据定义后被传入顶点着色器中，会在GPU上创建内存用于存储顶点数据。通过顶点缓冲对象（Vertex Buffer Objects VBO）管理此内存，它会在GPU内存中存储大量顶点，然后批量发给显卡。
顶点数组对象（Vertex Array Object, VAO）
- 任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单，只需要绑定不同的VAO就行了。

顶点着色器（Vertex Shader）

顶点着色器是图形渲染管线的第一个部分，把一个单独的顶点作为输入。主要作用：
- 把3D坐标转换为另一种3D坐标；
- 对顶点属性进行一些简单的处理。

图元装配（Primitive Assembly）

将顶点着色器输出的所有顶点作为输入，将所有的点装配成制定图元的形状。

几何着色器（Geometry Shader）

几何着色器把图元形式的一系列顶点的集合作为输入，可以通过产生新顶点构造出新的图元来生成其它形状。

光栅化（Rasterization）

光栅化把图元映射成对应的像素，生成片段（Fragment）。在片段着色器运行之前，会执行剪裁（Clipping）来提升执行效率。

片段着色器（Fragment Shader）

片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色，也包含3D场景的数据（如光照、阴影、光的颜色等）。

Alpha测试和混合（Blending）

此阶段检测片段对应的深度，来判断这个像素对应其它物体的相对位置。也会检查alpha值来对物体进行混合。

2. FreeGLUT库 & GLEW库配置

以下配置针对Mac上的Xcode配置，如是其他平台其它软件请自行百度，参考[2][3]。（安装主要也是因为课程要求，汗）

库简介

FreeGLUT库
- 由于GLUT项目已被废弃（不再维护，无法修改），FreeGLUT是GLUT的一个完全开源替代库。
GLEW库
- OpenGL扩展库，用于帮助C/C++开发者初始化扩展（OpenGL扩展功能）并书写可移植的应用程序。

安装

安装homebrew

由于之前已经安装过了homebrew，是否当时使用的是以下命令已经不太清楚了，如果有问题，可以在网上寻找。
```
$ ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"
```
安装FreeGLUT
```
$ brew install freeglut
```
安装中可能会提示需要先安装XQuartz，此时同样照着提示来安装，完成后再次brew即可。
安装GLEW
```
$ brew install glew
```
安装中可能会由于没有读写目录的权限的提示，此时只要按照终端的提示操作之后就可以了。
安装后的库

brew安装的目录在/usr/local/Cellar下，之后在Xcode中的配置会用到。

Xcode中的配置

打开Xcode，新建一个Command Line Tool项目。
在Build Settings中的Search Paths加入头文件、库文件搜索路径。
在Build Phases中Link Binary With Libraries中加入库

不知为何上步完成后仍是无法搜索到，只能手动添加文件了，另外不要忘了基本库OpenGL.framework哦。

3. 简单示例

示例代码

代码来自计算机图形学课程的讲义，绘制一个简单的三角形。

#include <GL/glew.h>
#include <GL/glut.h>

void doMyInit() {
    glClearColor( 0.0, 0.0, 0.0, 0.0); // Set the clear color to black
}

void mydisplay() {
    glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT); // Clear the frame buffer
    glColor3f( 0.0, 1.0, 0.0); // Set current color to green
    glBegin( GL_TRIANGLES); // Draw the triangle
        glVertex2f( -0.7, -0.7);
        glVertex2f( 0.7, -0.7);
        glVertex2f( 0, 0.7);
    glEnd();
    glFlush(); // Force to display the new drawings immediately
}

int main (int argc, char* argv[]) { // initialize
    glutInit(&argc,argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
    glutInitWindowSize(500,500);
    glutInitWindowPosition(50,50);
    glutCreateWindow("Simple");
    glewInit();
    doMyInit();//define callback functions
    glutDisplayFunc(mydisplay);
    glutMainLoop(); //main event loop
}