OpenGL学习笔记

本篇文章记录学习opengl过程中的笔记和心得。

笔记的主要构成是关键名词和对应的解释与理解。

OpenGL

opengl本质上是图形api接口,通过接口，用户可以利用显卡高效的在屏幕上绘制想要的内容。不过更加广义的opengl是一套接口标准，只要你的图像接口叫opengl,就应该符合标准。

GLFW

glfw是一个比较常用的库，主要是处理用户输出，提供opengl初始化的context,提供渲染窗口,原文描述：It allows us to create an OpenGL context, define window parameters, and handle user input, which is plenty enough for our purposes.

GLAD

由于显卡型号繁多、驱动版本天天更新，每个函数（比如 glUseProgram）在内存中的位置是不固定的。在编译阶段，编译器不知道这些函数在运行时会在哪里。当你写代码调用 glDrawArrays 时，实际上是看了一眼 GLAD 的本子，然后直接找到了对应的位置去执行。

比喻

GLAD 是一个“翻译官”或“寻址员”，它负责在你的显卡驱动里找到每一个 OpenGL 函数的具体内存地址。

Graphics Pipeline

图像管线，这个词经常听到。指代图像渲染整个流程，如下图：我们会编写管线上的处理程序，又叫shader。其中功能蓝色的表示可以由人修改的部分。

Shader

本质上是一段程序，用GLSL语言编写。Shader 代码的逻辑是写给“一个点”看的，但在运行时，GPU 会并行地对“一堆点”同时执行这份代码【将shader分配到多个gpu核心上】。

当你调用 OpenGL 的绘制命令（如 glDrawArrays）时，GPU 会瞬间叫来几千个工人（GPU 核心）。

每个工人都拿着你写的那份同一张“操作指南”。
每个工人手里拿一个不同的球（不同的数据）。
所有人同时开始工作（并行计算）。

Vertex

一个Vertex就是指代一个顶点数据，GPU 要处理的“一个点”的整体数据。包含多个属性。原文：A vertex is a collection of data per 3D coordinate.

Vertex的字段就是用vertex attributes表示。这个点身上的各个字段，比如位置、颜色、法线、纹理坐标等。

Vertex Shade

告诉 GPU “三角形的三个角在画布的什么位置”。

Fragment Shader

告诉 GPU “三角形内部涂什么颜色”。

绘制一个三角形的流程

画一个三角形听起来简单，但在 OpenGL 中，它是一个把数据从 CPU（你的内存） 搬运到 GPU（显存），并告诉显卡如何处理的过程。

为了容易理解，把 GPU 想象成一个高度自动化的画室。

我们需要三个角色：

VBO (Vertex Buffer Object)：专用颜料桶（存放原始数据）。
VAO (Vertex Array Object)：说明书/档案夹（记录数据怎么用）。
Shader (着色器)：画师（执行绘画逻辑）。

下面是绘制一个三角形的完整流程：

第一阶段：准备工作（初始化）

在画画之前，你得先把材料送进画室（GPU），并写好说明书。

1. 准备数据（CPU）

你在 C++ 代码里定义了一个数组，里面有 3 个顶点的坐标：

cpp
float vertices[] = {
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下
     0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下
     0.0f,  0.5f, 0.0f  // 顶部
};

这时候数据还在你的内存里（CPU），GPU 根本看不见。

2. 创建 VAO（档案夹）

这步非常重要，一定要先做！ 你想：“我要开始配置一组新的绘画动作了。” 于是你拿出一个空的档案夹 (VAO) 并在桌子上打开它 (glBindVertexArray)。

作用：从此以后，你对 VBO 做的一切配置，都会被自动记录在这个档案夹里。

3. 创建 VBO（颜料桶）并传输数据

你需要把内存里的数据搬到显存里。

动作：你在显存里申请了一块空间，我们叫它 VBO。
绑定：你把这个 VBO 放在当前的工位上 (glBindBuffer)。
填装：你把 CPU 里的 vertices 数组倒进这个 VBO 里 (glBufferData)。
现状：现在 GPU 拥有了一堆数字，但它只知道这是一堆二进制数据，不知道这代表坐标、颜色还是法线。

4. 解释数据（写进 VAO 档案夹）

这时候，VAO（档案夹）还是打开状态。你需要告诉 GPU 如何读取刚才那个 VBO 里的数据。你发出指令 (glVertexAttribPointer)：

“每隔 3 个数字读一次（因为是 x, y, z）。”
“这些数据是浮点数 (float)。”
“这是顶点的位置信息 (Layout 0)。”

关键点：当你做完这步，VAO 默默地把“在这个 VBO 上怎么读数据”这个配置记录下来了。

5. 解绑（合上档案夹）

配置完成。你合上 VAO 档案夹 (glBindVertexArray(0))，把它放回架子上。此时，VBO 里的数据已经安家在 GPU 了，VAO 里也记好了怎么用它。

第二阶段：雇佣画师（编译 Shader）

你需要写两段代码（Vertex Shader 和 Fragment Shader），编译并链接成一个 Shader Program。

Vertex Shader：告诉 GPU “三角形的三个角在画布的什么位置”。
Fragment Shader：告诉 GPU “三角形内部涂什么颜色”。

第三阶段：开始绘制（渲染循环）

这一步是每一帧（Loop）都要做的事情。虽然之前准备工作很繁琐，但画的时候非常快。

流程如下：

呼叫画师： glUseProgram(shaderProgram);
- 喊出：“Shader 画师团队，准备干活！”
拿出档案夹 (VAO)： glBindVertexArray(VAO);
- 这是最神奇的一步。你不需要再重新告诉 GPU “去哪个 VBO 找数据”、“怎么读数据”。
- 你只要把之前的 VAO 档案夹 拿出来打开，GPU 立刻就知道了：“噢，我要去那个 VBO 拿数据，每 3 个一组读……”
- 这就是为什么要用 VAO：它像一个快捷方式，保存了所有的状态配置。
下令绘制： glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
- 喊出：“开画！画三角形，画 3 个点！”

总结一下他们的关系

VBO 是仓库：实实在在地存着那堆数字。
VAO 是 管理员的记录本：它不存数据，它存的是指针和格式。它记录了“数据在哪个 VBO”以及“格式是什么”。
Shader 是 操作流水线：数据进来，经过 Shader 的计算，变成屏幕上的颜色。

最精简的流程记忆：

生成 VAO -> 绑定 VAO。
生成 VBO -> 绑定 VBO -> 塞数据。
设置解析格式 (glVertexAttribPointer) -> 启用格式。
渲染循环里：用 Shader -> 绑定 VAO -> glDrawArrays。

glBindVertexArray

这个函数初学很容易忽略，更像是一个录制开关。当你第一次创建好 VAO 并调用 glBindVertexArray(VAO) 时，你实际上是对 OpenGL 说了这句话：

“OpenGL 听好了！从现在开始（直到我解绑为止），我所做的所有关于‘顶点属性配置’的操作，请全部记在这个 VAO 的账上！” 它具体“录制”了什么？当你绑定了 VAO 后，紧接着调用的以下函数，都会被记录在这个 VAO 里：

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO)：虽然 VBO 存的是数据，但 VAO 会记住“我们要用哪个 VBO”。
glVertexAttribPointer(...)：VAO 记住了“第几列数据是坐标，第几列是颜色，偏移量是多少”。
glEnableVertexAttribArray(...)：VAO 记住了“启用了哪些属性通道”。
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO)：如果有索引缓冲（EBO），VAO 也会记住它。
解绑 (glBindVertexArray(0))：这相当于按下“停止录制”。OpenGL 此时不再把配置记在这个 VAO 头上了，恢复到默认状态。

glEnableVertexAttribArray

这个函数也很关键，是理解shader语言中的location的关键。

为了理解它，我们需要先理清数据是如何从内存流向 Shader 的。这里有一个关键的“断点”。

核心比喻：水管与水龙头想象一下你的渲染流程：

VBO (显存里的数据)：这是一个巨大的蓄水池，里面装满了水（顶点数据）。 glVertexAttribPointer：这是铺设管道。你告诉 OpenGL：“请铺设一根管子，从蓄水池引出来，每隔 3 个单位取一次水，管子接到 Location 0 这个位置。” Vertex Shader (着色器)：这是水龙头。里面写着 layout (location = 0) in vec3 aPos;，等着水流进来。但是！默认情况下，OpenGL 为了节省性能，把所有连接 Shader 的总闸（阀门）都关掉了。

glEnableVertexAttribArray(0)：这就是拧开 0 号位置的阀门。如果你铺好了管道（写了 glVertexAttribPointer），但是忘了拧开阀门（没写 glEnable...），水根本流不到 Shader 里。Shader 里的 aPos 读不到 VBO 里的数据，它只会读到一个默认值（通常是 0），导致你屏幕上一片漆黑或者图形缩成一个点。

在 OpenGL 中，顶点着色器（Vertex Shader）可能有多个输入槽位（Attribute Location）。

举个例子，你的 Shader 可能长这样：


#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;    // 0号槽位：位置
layout (location = 1) in vec3 aColor;  // 1号槽位：颜色
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord; // 2号槽位：纹理

显卡有多个“通道”来喂数据给这些变量。

有些时候，你可能只想画形状，不想画纹理。有些时候，你可能只想用一种固定的颜色，不需要从 VBO 里读颜色。所以 OpenGL 默认把这些通道都设为 Disable（禁用）状态。

当你调用 glEnableVertexAttribArray(1) 时，你是在告诉 GPU：“请启用 1 号通道，去 VBO 里按照我之前定义的格式读取数据，然后喂给 Shader 里的 location = 1 那个变量。”

这个开关的状态是保存在 VAO 里的！这就是为什么代码通常是这样写的：


// 1. 绑定 VAO (打开档案夹)
glBindVertexArray(VAO);

// 2. 绑定 VBO (准备数据)
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

// 3. 告诉 OpenGL 怎么读数据 (铺设管道)
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);

// 4. 【关键】启用 0 号属性 (打开 0 号阀门)
glEnableVertexAttribArray(0);  // <--- 这一步的状态被记录在了 VAO 里

// 5. 解绑 VAO
glBindVertexArray(0);

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