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造就务实。

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接下来，我会时不时地更新关于计算机图形学的内容，全部发布在Computer Graphics分类之下。

让我们开始OpenGL的第一个程序——不是画三角形，而是画一个点。

第一个OpenGL程序

OpenGL管线

屏幕上有那么多的像素，想象一下，如果我们用CPU来依次绘制屏幕上的每一个像素，那么每一帧将会像PPT一样卡顿。这就是为什么GPU和CPU都是一台电脑的重要组成部分。看似两者都可以进行数学运算，实际上两者的效率非常不一样，GPU的运算能力远远高于CPU。一个GPU的浮点计算能力可以达到6.45TFLOPS（以Geforce RTX 2060为例），而一个CPU的浮点计算能力极弱，以 Intel Cascade Lake 架构的 Xeon Platinum 8280 为例，该 CPU 的理论峰值双精度浮点性能为 2.4192 TFLOPS。而这已经是最顶尖的CPU级别了。

那么问题来了，屏幕上的那么多像素，我该如何编写程序让GPU帮我绘制呢？这就是图形API的用途。OpenGL、DirectX等都是图形API，它们都定义了一套图形渲染管线（Graphics Pipeline）。图形渲染管线可以被理解为一个流水线，它由一系列的阶段组成，每个阶段负责不同的任务。

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OpenGL管线有固定函数阶段和可编程阶段。固定函数阶段由OpenGL自身控制，不可更改。可编程阶段由开发者控制，开发者可以更改这些阶段，以实现不同的效果。可编程阶段由以下着色器组成：

  • 顶点着色器（Vertex Shader）
  • 细分曲面控制着色器（Tessellation Control Shader）
  • 细分曲面评估着色器（Tessellation Evaluation Shader）
  • 几何着色器（Geometry Shader）
  • 片段着色器（Fragment Shader）
  • 计算着色器（Compute Shader）

那么什么是着色器呢？着色器是运行在GPU核心上的小型程序，它们可以接受输入数据，并生成输出数据。着色器之间的输入与输出可以由一定的方式连接，就像形成了一个管道一般这就是为什么OpenGL管线被称为管线（pipeline）的原因。

OpenGL应用程序必须配备顶点着色器和片段着色器，而在OpenGL中，着色器使用GLSL（OpenGL Shading Language）编写。GLSL是一种类似于C语言的编程语言，它被设计为能够在GPU上运行。GLSL的语法与C语言类似，但也有所不同。稍后我们将会编写顶点着色器，并通过一定的方式加载到程序中，传送到显存上，等到绘制图像（一个像素）的时候，GPU会运行它们。

OpenGL绘制图像时必须有一个窗口吧？这个窗口，如果通过Windows API等方式创建会非常麻烦（不是一点点麻烦！），所以我们使用OpenGL的一个库GLFW来创建窗口。GLFW是一个跨平台的库，它提供了一系列的函数，用于创建和管理窗口，接受设备（如键盘、鼠标、手柄等）的输入，总之所有本来需要我们干的杂事都可以交给GLFW，我们只需要专注于我们的OpenGL。

GLAD，与手动加载OpenGL函数说再见

OpenGL的函数是通过动态链接库的方式调用的，所以按理来说我们应该手动加载所有我们用到的OpenGL函数，也就是说，我们（本来）应该这么做（以glUseProgram为例）：

  void *p = (void *)wglGetProcAddress("glUseProgram");
  if(p == 0 ||
      (p == (void*)0x1) || (p == (void*)0x2) || (p == (void*)0x3) ||
      (p == (void*)-1) )
  {
      HMODULE module = LoadLibraryA("opengl32.dll");
      p = (void *)GetProcAddress(module, "glUseProgram");
  }
  // 定义函数原型
  typedef void (APIENTRYP PFNGLUSEPROGRAMPROC) (GLuint program);
  // 定义函数指针
  PFNGLUSEPROGRAMPROC glUseProgram;
  // 初始化函数指针
  glUseProgram = (PFNGLUSEPROGRAMPROC)p;

刚刚的代码，你看懂了吗？是个人都看不懂。而且这种手动获取函数地址的行为不仅没有可移植性（我们的这个示例仅在Windows平台上适用），而且极其容易出错。就连OpenGL官方都非常不建议这种做法：

Loading OpenGL Functions is an important task for initializing OpenGL after creating an OpenGL context. You are strongly advised to use an OpenGL Loading Library instead of a manual process.

因此，我们使用GLAD来获取OpenGL函数的地址。GLAD是一个开源的库，它能够自动获取OpenGL函数的地址，并将其存储在全局变量中，我们只需要调用GLAD的函数即可。

杂项准备

关于GLAD，GLFW等内容我全部放在一个代码块中。接下来我们的代码将会在下面的代码块中展示的代码里展开。我们使用OpenGL 4.5。

#include <glad/gl.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <string>
#include <iostream>

std::string readFile(std::string file_name);

int main() 
{
    GLFWwindow* window;
 
    glfwSetErrorCallback(error_callback);
 
    if (!glfwInit())
        return EXIT_FAILURE;
 
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 2);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 0);
 
    window = glfwCreateWindow(640, 480, "example", NULL, NULL);
    if (!window)
    {
        glfwTerminate();
        return EXIT_FAILURE;
    }

    glfwMakeContextCurrent(window);
    gladLoadGL(glfwGetProcAddress);

    // 渲染循环
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        // 渲染循环代码
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }
}

着色器代码加载器

为了加载着色器的GLSL代码，我们使用readFile函数。下面给出实现。

std::string readFile(std::string file_name)
{
    std::ifstream file(file_name.c_str());
    if (!file.is_open())
    {
        std::cerr << "Could not open file " << file_name << std::endl;
        return "";
    }
    return std::string {
            std::istreambuf_iterator<char> {file},
            std::istreambuf_iterator<char> {};
        };
}

这段代码使用了C++标准库中的fstream文件流库和istreambuf_iterator。首先，通过ifstream对象file打开文件，并使用std::istreambuf_iterator将文件内容迭代器绑定到file。然后，使用std::string的构造函数将迭代器范围内的字符创建一个新的std::string对象。最后，使用std::istreambuf_iterator的析构函数释放迭代器。

顶点着色器代码

#version 450 core

void main()
{
    gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

任何一个GLSL着色器代码都需要一个版本声明，告诉编译器代码所使用的GLSL版本。在例子中，我们使用的是4.50版本，并使用核心模式。

核心模式和立即渲染模式

刚刚的代码中，我们使用了core关键字。这个关键字告诉编译器使用核心模式。在核心模式下，编译器将只使用GLSL语言规范中OpenGL核心模式定义的特性。在很久以前的OpenGL程序中，使用立即渲染模式（Immediate mode，也就是固定渲染管线），这个模式下绘制图形很方便。OpenGL的大多数功能都被库隐藏起来，开发者很少有控制OpenGL如何进行计算的自由。而开发者迫切希望能有更多的灵活性。随着时间推移，规范越来越灵活，开发者对绘图细节有了更多的掌控。立即渲染模式确实容易使用和理解，但是效率太低。因此从OpenGL3.2开始，规范文档开始废弃立即渲染模式，并鼓励开发者在OpenGL的核心模式(Core-profile)下进行开发，这个分支的规范完全移除了旧的特性。

当使用OpenGL的核心模式时，OpenGL迫使我们使用现代的函数。当我们试图使用一个已废弃的函数时，OpenGL会抛出一个错误并终止绘图。现代函数的优势是更高的灵活性和效率，然而也更难于学习。立即渲染模式从OpenGL实际运作中抽象掉了很多细节，因此它在易于学习的同时，也很难让人去把握OpenGL具体是如何运作的。现代函数要求使用者真正理解OpenGL和图形编程，它有一些难度，然而提供了更多的灵活性，更高的效率，更重要的是可以更深入的理解图形编程。

使用compatibility关键字可以告诉编译器使用立即渲染模式（也称兼容模式）。

然后，我们声明了主函数main，这是每一个着色器函数的入口点，并且它没有参数。在主函数中，我们设置gl_Position变量，这个变量是顶点着色器输出的一部分，它定义了顶点在屏幕上的位置。

输出变量，与内置变量

我们使用了gl_Position变量，它是一个输出变量。输出变量是顶点着色器向片段着色器传递数据的一种方式。本来根据GLSL的语法，我们应当这么声明gl_Position：

out vec4 gl_Position;

然而，gl_Position是一个GLSL预定义的变量，它代表的是当前顶点在屏幕上的位置。我们不需要声明它，只需要使用它即可。 在OpenGL的参考卡片中，我们可以看到内置的变量列表：

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我们的输出是gl_Position变量，在截图中可以看到，它是一个vec4类型的变量。vec4代表的是一个包含4个分量的4维向量。之后我会讲到向量的分量，重组（swizzling）和重组的顺序。

gl_Position是顶点着色器的输出，在本例中，它会被传递给片段着色器，因为我们并没有编写其他着色器。 这个输出代表着这个顶点经过处理后即将被传递给管线其余阶段的位置。gl_Position是vec4型变量，代表四分量向量，在OpenGL中，四分量向量可以代表RGBA颜色，也可以代表齐次坐标系中的一个点或向量。

这篇博客尚未写完。敬请期待。