一、顶点属性和顶点缓冲区

概述：

想要绘制一个对象，它的顶点数据（pos,norm,color,uv…）需要被发送给顶点着色器。
通常会把顶点数据在C++端放入一个顶点缓冲区(VBO)，并把顶点缓冲区和着色器中声明的顶点属性相关联。

布局：

布局1：数组的结构(SOA)

&nbsp position1 | position2 | position3 | ...

&nbsp normal1 | normal2 | normal3 | ...

&nbsp color1 | color2 | color3 | ...

布局2：结构的数组(AOS)

&nbsp vertex1 | vertex2 | vertex3 | ...

VBO注释：

VBO：顶点缓存对象。（包含顶点缓冲区）

顶点缓冲对象VBO是在显卡存储空间中开辟出的一块内存缓存区，用于存储顶点的各类属性信息，如顶点坐标，顶点法向量，顶点颜色数据等。在渲染时，可以直接从VBO中取出顶点的各类属性数据，由于VBO在显存而不是在内存中，不需要从CPU传输数据，处理效率更高。
https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/53556664

VAO注释：

顶点数组对象。（存储状态配置，是一种组织顶点缓冲区的方法，使之在复杂场景中更容易操控）(VAO不存储实际的数据。)

• VAO记录的是：

  1.vertex attribute 的格式，由 glVertexAttribPointer 设置。
  2.vertex attribute 对应的 VBO 的名字, 由一对 glBindBuffer 和 glVertexAttribPointer 设置。
  3.当前#绑定的 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER 的名字，由 glBindBuffer 设置。

• 补充：

  顶点数组对象(VAO)可以像顶点缓冲对象那样被绑定，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。刚刚设置的所有状态都将存储在VAO中。

Creedon：也许使用相同的着色器的模型可以用同一个VAO。

• 参考：

  https://blog.csdn.net/qq_44800780/article/details/102998897

实现步骤：

初始化Init中：

• 〇创建顶点数组对象：

  glGenVertexArray(1, vao)  //创建至少一个顶点数组对象存进定义的GLuint数组vao。   
  glBindVertexArray(vao[0]);  //把顶点数组对象标记为活跃。
  

• ①创建顶点缓冲区：

  glGenBuffer(2, vbo); //创建两个VBO存进定义的GLuint数组vbo。  
  

• ②将顶点数据复制到缓冲区：

  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);  
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vPosition), vPosition, GL_STATIC_DRAW);  //将第0个缓冲区标记为活跃并把包含数据的数组复制进活跃缓冲区。  
  

渲染display中：

• 〇活跃缓冲区：

  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);  //将第0个缓冲区设为活跃。  
  

• ①缓冲区关联顶点属性：

  glVertexAttibPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);  //将第0个顶点属性关联到活跃缓冲区。 
  

• ②启用顶点属性:

  glEnableVertexAttribArray(0);  //启用第0个顶点属性。
  

二、一致变量(Uniform Var)

概述：

一致变量即外部程序传给OpenGL的变量。例如要渲染一个3D场景，需要构建MV、P变换矩阵，习惯上会将这些矩阵从C++程序传给着色器的一致变量(包括顶点着色器和片段着色器)。

声明：

一致变量用uniform关键字声明。例如uniform mat4 mv_matrix;。

传递的实现：

//获取着色器中一致变量的位置
mvLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "mv_matrix");
//将数据传到一致变量中
glUniformMaxtrix4fv(mvLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvMat));

三、顶点属性插值

光栅化过程会线性插值顶点属性值。

注意：一致变量本身不是插值的，它始终保持不变。

常被插值的属性有法线、纹理坐标uv、颜色等。

顶点输入/输出属性声明：

layout (location = 0) in vec3 position;

out color;

• 在顶点着色器中用in关键字声明顶点属性，表示它们从缓冲区接收值。还可以用out声明顶点属性，表示它们会将值发送到管线下一个阶段。

• 从顶点着色器传到片段着色器中的变量约定用”varying+变量名“的命名方式。

内置的属性：

• 没必要为顶点位置声明一个out变量。因为有一个内置的gl_Position表示变换后的顶点位置。

四、同一个模型的重复渲染

方式1： 重复调用glDrawArrays():在display()中构建差异。

方式2： 调用glDrawArraysInstanced():在着色器代码中构建差异。（OpenGL实例化机制）（差异因子由程序传入uniform变量）

五、多个模型的渲染

用多个顶点缓冲区(vbo)保存多个物体的顶点信息。

注意：

P矩阵可共用，MV矩阵要分别计算。

六、多层级模型渲染和矩阵堆栈

实际建模中通常会通过组装较小的简单模型构建复杂模型。这种方式构建的对象称为分层级模型。分层模型不仅可用于构建复杂对象，还可以用来生成复杂场景。

使用矩阵堆栈使得创建和管理复杂分层对象和场景变得容易。它使得变换可以构建在其他变换之上（或者从其他变换中被移除）。

※可以使用C++标准模板库(STL)的stack类。

堆栈结构和实现：

第一个入栈的是V矩阵。然后依次是父物体、子物体的MV矩阵。

如果在父对象上创建子对象时，使用push命令在堆栈顶部创建新的矩阵，然后再根据需要将期望的变换应用于堆栈顶部新创建的矩阵。（stack.push(stack.top())）

应用新对象所需变换，也就是所需的变换乘以它。

补充：另一种VBO布局（AOS）

#define VERTEX_POS_INDX 0
#define VERTEX_POS_SIZE 3

#define VERTEX_COLOR_INDX 1
#define VERTEX_COLOR_SIZE 4

#define VERTEX_ATTRIB_SIZE (VERTEX_POS_SIZE+VERTEX_COLOR_SIZE)

GLfloat vertex[]={
            0.0f,1.0f,1.0f, //x,y,z
			1.0f,0.0f,0.0f,1.0f, //RGBA
			1.0f,0.5f,1.0f,
			0.0f,1.0f,0.0f,1.0f,
			0.0f,0.5f,1.0f,
			0.0f,0.0f,1.0f,1.0f
		 }
//设置顶点位置属性数据数组
glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX,VERTEX_POS_SIZE,GL_FLOAT,GL_FALSE,VERTEX_ATTRIB_SIZE*sizeof(GLfloat),vertex);
//设置颜色属性数据数组
glVertexAttribPointer(VERTEX_COLOR_INDX,VERTEX_COLOR_SIZE,GL_FLOAT,GL_FALSE,(VERTEX_ATTRIB_SIZE*sizeof(GLfloat),vertex+VERTEX_POS_SIZE));
//启用顶点数组数据
glEableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDE);
glEnableVertexAttribArray(VERTEX_COLOR_INDE);
//根据顶点数据绘制三角形
glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,3);
//禁用顶点数组数据
glDisableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDE);
glDisableVertexAttribArray(VERTEX_COLOR_INDE);

关于glVertexAttribPointer()的参数：

• 参数1：指定我们要配置的顶点属性。还记得我们在顶点着色器中使用layout(location = ?)

• 参数2：指定顶点属性的大小。顶点属性是一个vec3，它由3个值组成，所以大小是3。

• 参数3：指定数据的类型，这里是GL_FLOAT(GLSL中vec*都是由浮点数值组成的)。

• 参数4：定义我们是否希望数据被标准化(Normalize)。

• 参数5：步长(Stride)。它告诉我们在连续的顶点属性组之间的间隔。

• 参数6：数据指针（类型是void*）。指针表示数据在缓冲中起始位置的偏移量。

补充：使用索引绘制(glDrawElements())

使用glDrawElements()与glDrawArrays()相比：

• 减少绘制呼叫数。每个绘制调用都会产生一些开销，用于验证状态、设置内容等，并且大部分开销发生在 CPU 端。通过减少绘制调用的数量，我们避免了大部分开销。

• 顶点重用。这不仅仅是节省内存。您的 GPU 可能具有硬件顶点缓存，可以存储最近转换的顶点;如果同一顶点再次出现，并且它出现在缓存中，则可以从缓存中重用它，而不必再次转换。您的硬件将通过比较索引来检查缓存，因此在 OpenGL 术语中，使用缓存的唯一方法就是使用 glDrawElements。

参数相关：

• 最后一个参数是(void*)类型的字节偏移量。

注意事项：

• 如果是简单的光滑模型，用索引方式就很简单。

• 当一个顶点允许多个nv坐标和法线（例如接缝）时，顶点数据存放会很麻烦，同样需要多次存储顶点。因为OpenGL不允许多属性分开索引。

setVertexBuffers():

//使用`glDrawElements()`则需要额外定义一个数组缓冲保存索引。
vector<int> ind = model.getIndicates();
//...
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbo[3]);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ind.size() * 4, &ind[0], GL_STATIC_DRAW);

display():

//...//把索引缓冲区激活后开始draw elements.
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbo[3]);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, model.getNumIndicates(), GL_UNISIGNED_INT, 0);

补充：使用glBegin()/glEnd()绘制

用于固定管线。已被弃用。

补充：深度缓存和深度测试

OpenGL使用深度测试来进行隐藏面消除。使用glEnable(GL_DEPTH_TEST)和glDepthFunc(GL_LEQUAL/GL_LESS)开启深度测试并指定判断函数（小于等于或者小于时通过）。

在渲染帧之前要用glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)清除深度缓冲区，它使用默认值1.0来填充。默认情况下，OpenGL深度值为0.0~1.0。

int display(...)
{
//...
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//清除深度缓冲
//...
glEnable(GL_DEPTH_TEST);//开启深度测试
glDepthFunc(GL_LEQUAL);//深度Func
}
//draw...

补充：”Z冲突”走样问题

当两个物体表面重叠时，这使得Z-Buffer算法难以确定应该渲染两个表面中的哪一个。此时，浮点误差可能会导致渲染出不自然的走样。

解决方案：

1. 稍微移动一个物体避免重叠。
2. 适当减少近裁剪面和远裁剪面之间的距离。（特别是近裁剪面不宜太近）

补充:性能优化

1. 尽量减少内存分配：
   不要在display()中声明变量或者实例化对象。

2. 预先计算透视矩阵：
   把透视矩阵的计算放在init()函数中，只计算一次。
   （如果改变了窗口，可以在调用init()之前使用glfwSetWindowSizeCallback(window, callback)设置回调）

3. 背面剔除：
   使用glEnable(GL_CULL_FACE)/glDisable(GL_CULL_FACE)启用/禁用背面剔除。
   使用glCullFace(GL_BACK/GL_FRONT/GL_GRONT_AND_BACK)设置剔除背面/正面/全部剔除。
   使用glFrontFace(GL_CCW/GL_CW)显式设置3个顶点逆时针(默认)/顺时针排列时为正向。