四、OpenGL 图元的渲染&矩阵堆栈

一、着色器

1.单元着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_IDENTITY,GLfloat vColor[4]);
参数1: 存储着色器种类-单元着色器
参数2: 颜⾊
使用场景: 绘制默认OpenGL 坐标系(-1,1)下图形. 图形所有片段都会以一种颜色填充

2.平面着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_FLAT,GLfloat mvp[16],GLfloat vColor[4]);
参数1: 存储着⾊器种类-平面着色器 
参数2: 允许变化的4*4矩阵
参数3: 颜⾊
使⽤用场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化).

3.上色着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_SHADED,GLfloat mvp[16]);
参数1: 存储着色器种类-上色着色器 
参数2: 允许变化的4*4矩阵
使⽤用场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化) 颜色将会平滑地插入到顶点之间 称为平滑着色.

4.默认光源着色器(太阳光)

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat pMatrix[16],GLfloat vColor[4]);
参数1: 存储着⾊器种类-默认光源着⾊器 
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 投影4*4矩阵
参数4: 颜色值
使⽤场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化) 这种着⾊器会使绘制的图形产生阴影和光照的效果.

5.点光源着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_POINT_LIGHT_DIEF,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat pMatrix[16],GLfloat vLightPos[3],GLfloat vColor[4]);
参数1: 存储着⾊器种类-点光源着⾊器 
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 投影4*4矩阵
参数4: 点光源的位置
参数5: 颜⾊值
使用场景: 在绘制图形时, 可以应⽤变换(模型/投影变化) 这种着⾊器会使绘制的图形产⽣
阴影和光照的效果.它与默认光源着⾊器⾮常类似,区别只是光源位置可能是特定的.

6.纹理替换矩阵着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_REPLACE,GLfloat mvMatrix[16],GLint nTextureUnit);
参数1: 存储着⾊器种类-纹理替换矩阵着⾊器 
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 纹理单元
使用场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化)这种着⾊器通过给定的模型视图投影矩阵.
使用纹理单元来进行颜色填充.其中每个像素点的颜⾊是从纹理理中获取.

7.纹理调整着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_MODULATE,GLfloat mvMatrix[16],GLfloat vColor[4],GLint nTextureUnit);
参数1: 存储着⾊器种类-纹理调整着⾊器
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 颜⾊值
参数4: 纹理单元
使用场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化)这种着⾊器通过给定的模型视图投影矩阵. 
着⾊器将一个基本色乘以一个取自纹理单元nTextureUnit的纹理.将颜色与纹理进行颜色混合后才填充到片段中.

8.纹理光源着色器

GLShaderManager::UserStockShader(GLT_SHADER_TEXTURE_POINT_LIGHT_DIEF,G Lfloat mvMatrix[16],GLfloat pMatrix[16],GLfloat vLightPos[3],GLfloat vBaseColor[4],GLint nTextureUnit);
参数1: 存储着⾊器种类-纹理光源着⾊器 
参数2: 模型4*4矩阵
参数3: 投影4*4矩阵
参数4: 点光源位置
参数5: 颜色值(几何图形的基本色) 
参数6: 纹理单元
使用场景: 在绘制图形时, 可以应用变换(模型/投影变化)这种着⾊器通过给定的模型视图投影矩阵. 
着⾊器将⼀个纹理通过漫反射照明计算进行调整(相乘).

二、OpenGL 基本图元连接⽅式

GL_TRIANGLE_STRIP优点：

• 用前3个顶点指定第1个三角形之后，接下来的每⼀个三⻆形，只需要再指定1个顶点。需要绘制⼤量的三⻆形时，采⽤这种⽅法可以节省⼤大量的程序代码和数据存储空间。
• 提供运算性能和节省带宽。更少的顶点意味着数据从内存传输到图形卡的速度更快，并且顶点着⾊器需要处理的次数也更少。

OpenGL三⻆形环绕⽅式
在默认情况下，OpenGL认为具有逆时针⽅向环绕的多边形为正⾯。

GL_CW： 顺时针环绕的多边形为正⾯
GL_CCW：逆时针环绕的多边形为正⾯
// 手动指定那个面为正面，一般不做修改
glFrontFace(GL_CW);

三、图元的渲染

1.导入相关的头文件

// GLTool.h头文件包含了大部分GLTool中类似C语言的独立函数
#include "GLTools.h"    
// 矩阵工具类.可以利用GLMatrixStack加载 单元矩阵/矩阵/矩阵相乘/压栈/出栈/缩放/平移/旋转
#include "GLMatrixStack.h"
// 矩阵⼯具类,表示位置.设置vOrigin, vForward ,vUp等
#include "GLFrame.h"
// 矩阵工具类,用来快速设置正/透视投影矩阵.完成坐标从3D->2D映射过程
#include "GLFrustum.h"
// 三角形批次类,帮助类,利用它可以传输顶点/光照/纹理/颜色数据到存储着⾊器中
#include "GLBatch.h"
// 变换管道类,⽤来快速在代码中传输视图矩阵/投影矩阵/视图投影变换矩阵等.
#include "GLGeometryTransform.h"
// 数学库
#include <math.h>
//  在Mac 系统下，`#include<glut/glut.h>`在Windows 和 Linux上，我们使用freeglut的静态库版本并且需要添加⼀一个宏
#ifdef __APPLE__
#include <glut/glut.h>
#else
#define FREEGLUT_STATIC
#include <GL/glut.h>
#endif

2.定义相关变量

// 着色器管理类
GLShaderManager        shaderManager;
//模型视图矩阵堆栈
GLMatrixStack        modelViewMatrix;
//投影矩阵堆栈
GLMatrixStack        projectionMatrix;
//照相机 Frame
GLFrame                cameraFrame;
//模型 Frame
GLFrame             objectFrame;
//投影矩阵
GLFrustum            viewFrustum;
//容器类（7种不同的图元对应7种容器对象）
GLBatch                pointBatch;
GLBatch                lineBatch;
GLBatch                lineStripBatch;
GLBatch                lineLoopBatch;
GLBatch                triangleBatch;
GLBatch             triangleStripBatch;
GLBatch             triangleFanBatch;
//几何变换的管道
GLGeometryTransform    transformPipeline;
GLfloat vGreen[] = { 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
GLfloat vBlack[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
// 跟踪效果步骤
int nStep = 0;

3.changeSize函数

changeSize：通过glutReshaperFunc(函数名)注册为重塑函数，当屏幕大小发生变化/或者第一次创建窗口时,会调用该函数调整窗口⼤小/视口⼤小，主要在该方法中使用窗口维度设置视口和投影矩阵

// 使用窗口维度设置视口和投影矩阵.
void changeSize(int w, int h) {
    glViewport(0, 0, w, h);
    //创建投影矩阵，并将它载入投影矩阵堆栈中 下面是透视投影
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w) / float(h), 1.0f, 500.0f);
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    //将单元矩阵载入模型视图矩阵堆栈
    modelViewMatrix.LoadIdentity();
   //设置变换管线以使用两个矩阵堆栈 
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
}

GLFrustum类通过setPerspective 方法为我们构建一个平截头体。

GLFrustum::SetPerspective(float fFov , float fAspect ,float fNear ,float fFar);
fFov:垂直方向上的视场角度
fAspect:窗口的宽度与高度的纵横比 宽(w)/⾼(h)
fNear:近裁剪面距离
fFar:远裁剪面距离

4.renderScene函数

renderScene：⾃定义函数.通过glutDisplayFunc(函数名)注册为显示渲染函数.当屏幕发生变化/或者开发者主动渲染会调用此函数,用来实现数据->渲染过程

void RenderScene(void) {
    // Clear the window with current clearing color
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
    //压栈
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    M3DMatrix44f mCamera;
    cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);
    //矩阵乘以堆栈的顶部矩阵，相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
    modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
    M3DMatrix44f mObjectFrame;
    //只要使用 GetMatrix 函数就可以获取矩阵堆栈顶部的值，这个函数可以进行2次重载。用来使用GLShaderManager 的使用。或者是获取顶部矩阵的顶点副本数据
    objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
    //矩阵乘以矩阵堆栈的顶部矩阵，相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
    modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
    switch(nStep) {
        case 0:
            //设置点的大小
            glPointSize(4.0f);
            pointBatch.Draw();
            glPointSize(1.0f);
            break;
        case 1:
            //设置线的宽度
            glLineWidth(2.0f);
            lineBatch.Draw();
            glLineWidth(1.0f);
            break;
        case 2:
            glLineWidth(2.0f);
            lineStripBatch.Draw();
            glLineWidth(1.0f);
            break;
        case 3:
            glLineWidth(2.0f);
            lineLoopBatch.Draw();
            glLineWidth(1.0f);
            break;
    }
    //还原到以前的模型视图矩阵（单位矩阵）
    modelViewMatrix.PopMatrix();
    // 进行缓冲区交换
    glutSwapBuffers();
}

这里主要通过模型视图堆栈，做了一系列的矩阵计算，从而得到一个新的模型视图堆栈。最后通过渲染管线获取到模型视图矩阵以及投影矩阵，作为固定着色器中几何图形变换的变换矩阵。

变换管道通过get可获得的矩阵有4种

4.1、PushMatrix()

压栈： 和数据结构中的栈类似，调用这个方法的时候，若传入一个矩阵，则将该矩阵压入栈顶；若不传入参数，则默认copy一份当前栈顶矩阵，压入栈顶，主要作用就是记录状态，保存当时的临时结果。

4.2、MultMatrix(x)

矩阵相乘：将栈顶元素copy一份，并与矩阵相乘，得到的结果赋值给矩阵堆栈的栈顶矩阵。

4.3、PopMatrix()

矩阵出栈：将栈顶矩阵出栈，恢复为原始的矩阵堆栈。
在使用完该栈之后，这个方法必须调用。原因就是，之前有提到，OpenGL上下文本身就是一个巨大的状态机，若在这里不将栈顶矩阵出栈，对于在其他使用到该矩阵堆栈的地方来说，矩阵数据就会错乱。

5.setupRC函数

setupRC：在main方法中手动调用，且只执行一次，主要是做着色器初始化、窗口背景初始化、顶点数据的准备等工作

void setupRC() {
    // 灰色的背景
    glClearColor(0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f );
    // 初始化着色器管理类
    shaderManager.InitializeStockShaders();
    // 开启深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    //设置变换管线以使用两个矩阵堆栈 changeSize中已经写了
    // transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
    移动相机，也可以移动物体 objectFrame.MoveForward(15.0f);
    cameraFrame.MoveForward(-15.0f);
    //定义一些点，三角形形状。
    GLfloat vCoast[9] = {
        3,3,0,0,3,0,3,0,0
    };
    //用点的形式
    pointBatch.Begin(GL_POINTS, 3);
    pointBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
    pointBatch.End();
    //通过线的形式
    lineBatch.Begin(GL_LINES, 3);
    lineBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
    lineBatch.End();
    //通过线段的形式
    lineStripBatch.Begin(GL_LINE_STRIP, 3);
    lineStripBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
    lineStripBatch.End();
    //通过线环的形式
    lineLoopBatch.Begin(GL_LINE_LOOP, 3);
    lineLoopBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
    lineLoopBatch.End();
    ...
    }

void GLBatch::Begin(GLenum primitive,GLuint nVerts,GLuint nTextureUnits = 0);
参数1：表示使用的图元
参数2：顶点数
参数3：纹理坐标（可选）
//负责顶点坐标
void GLBatch::CopyVertexData3f(GLFloat *vNorms);
//结束，表示已经完成数据复制工作
void GLBatch::End(void);

观察者或者物体位置的设置有三种