OpenGL学习笔记【1】——简介

一、OpenGL概念

        OpenGL (Open Graphics Library，译名：开放式图形库开放式图形库) 是一种用于渲染 2D 和 3D 图形的跨语言、跨平台的编程接口(API)。

二、OpenGL跨语言

       OpenGL 是一个 C 语言库，因此理解 C 语言（或 C++）的基本知识是非常有用的。然而，许多其他语言也有 OpenGL 的绑定，值得一提的包括：

(1)JavaScript绑定的WebGL(基于OpenGL ES 2.0在Web浏览器中的进行3D渲染的API)；

(2)C绑定的WGL、GLX和CGL;

(3)iOS提供的C绑定;

(4)Android提供的Java和C绑定;

所以你可以选择你最熟悉的语言来学习。

三、OpenGL跨平台

        OpenGL 提供了一组底层的图形渲染函数，严格规定了每个函数该如何执行，以及它们的输出值，这些函数可以直接与图形硬件交互，实现高效的图形渲染。至于内部具体每个函数是如何实现(Implement)的，将由OpenGL库的开发者（通常是显卡的生产商）自行决定。   

     OpenGL被设计为只有输出的，只提供渲染功能，核心API没有窗口系统、音频、打印、键盘/鼠标或其他输入设备的概念，也正是这种限制使得OpenGL允许进行渲染的代码完全独立于它运行的操作系统，允许跨平台开发。

    OpenGL没有提供着色器编译器，而是由显卡驱动来完成着色器的编译工作，也就是说，只要显卡驱动支持对GLSL的编译它就能运行，所以能够跨平台。具有强大的通用性和可移植性，可以将其轻松的移植在多个不同的平台上进行二次开发。因为OpenGL本身是一个与硬件无关的软件接口，所以，通用于市面上较为流行的平台：比如，Windows、Unix、Linux、MacOS等。

四、OpenGL扩展特性

       OpenGL的一大特性就是对扩展（Extension)的支持，当一个显卡公司提出一个新特性或者渲染上的大优化，通常会以扩展的方式在驱动中实现。扩展可能会引入新功能和新常量，并且可能放松或取消现有的OpenGL函数的限制。然后一个扩展就分成两部分发布：包含扩展函数原型
的头文件和作为厂商的设备驱动。供应商使用扩展公开自定义的API而无需获得其他供应商或Khronos Group的支持，这大大增加了OpenGL的灵活性。

    每个扩展都与一个简短的标识符
关系，该标识符基于开发公司的名称。例如，英伟达（nVidia）的标识符是NV。如果多个供应商同意使用相同的API来实现相同的功能，那么就用EXT标志符。这种情况更进一步，Khronos Group的架构评审委员（Architecture Review Board，ARB）正式批准该扩展，那么这就被称为一个“标准扩展”，标识符使用ARB。

       OpenGL是一个不断进化的API，新版OpenGL规范会定期由Khronos Group发布，新版本通过扩展API来支持各种新功能。OpenGL 更像是一种显卡驱动标准,由各个硬件厂家适配,各个硬件厂商根据 OpenGL 接口规范编撰对应的驱动，换句话说,对于各个硬件厂商 OpenGL 确实是一个基于 GPU 的软件实现,但是对于普通的应用层开发者 OpenGL 就是一个由硬件厂商提供的驱动程序罢了。

       在OpenGL的发展历程中，总是兼顾向下兼容的特性，但是到了一定的程度之后，这些旧有的OpenGL API不再适应时代的需要，还有一些扩展并不是驱动一定要实现的扩展，这些被统一划入可选的Compatibility Profile；而由OpenGL规范规定必须支持的扩展，则是Core Profile，想要支持先进的OpenGL，相应的Core Profile扩展必须被实现。

五、OpenGL 上下文

5.1、Context上下文的理解

   OpenGL Context，中文解释就是OpenGL的上下文。OpenGL只是图形API，它只负责渲染，渲染指令执行所需要的那些东西就是Context。

     OpenGL在渲染的时候需要一个Context来记录了OpenGL渲染需要的所有信息和状态，可以把它理解成一个大的结构体，它里面记录了当前绘制使用的颜色、是否有光照计算以及开启的光源等。

       对于OpenGL的上下文的理解看到一个比较形象的比喻：好比一个画家在画图，OpenGL就是这个画家（可以发出各种指令），而画家作画需要用到的画笔、画布等东西就是Context，Context的切换就像画家同时作多幅画，当要画另外一幅画的时候，画家需要放下原来的画笔，拿起了另外一幅画所需要的画笔。

5.2、Context上下文的历史版本

     (1)在OpenGL 3.0版本之前，OpenGL创建Context都是一致的；

     (2)但是从OpenGL 3.0开始，为了摆脱历史的“包袱”，OpenGL想要彻底的废弃掉之前的许多特性，但是无奈市面上已经有大量依赖OpenGL之前版本的代码，导致OpenGL维护小组的这一想法难以付诸实施， OpenGL 3.0 引入了废弃机制，标记了许多OpenGL的函数是废弃的（但是3.0并没有真正移除它们，也就是说3.0版本仍然是一个可以向后兼容的Context）;

    (3)在OpenGL 3.1的发布删除了之前3.0标记的过时函数（固定管线相关的函数），但是为了之前的OpenGL代码可用， 引入了一个扩展ARB_compatibility，这个扩展可以让OpenGL 3.1支持之前的OpenGL固定管线的内容，

  （4)OpenGL 3.2中开始引入了OpenGL Context的一些分类，正式引入了模式的概念（Profile），之后随着版本发展到OpenGL 3.3，一切算是确定下来。

    (5)到了OpenGL3.3之后，OpenGL的context profile分为了两个版本，core pfofile和compatibility profile，前者表示删除任何标记为deprecated（弃用）的功能，后者则表示不删除任何功能。

  5.3、创建上下文context使用的图形界面框架

     不同的操作系统，都有各自的上下文创建方法和设置当前上下文的API，最简单的上下文可以通过Glut或是Glfw创建，相比较而言glfw是一个轻量级的图形界面框架，托管在 www.glfw.org，现在非常的活跃，如果新入门可以优先考虑glfw，相关的教程网上也比较多。

  使用glfw创建一个窗口，并使该窗口的上下文成为当前上下文：

 // 设置窗口提示glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3); // OpenGL主版本号glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3); // OpenGL次版本号glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE); // 使用核心模式// 创建窗口GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL) {glfwTerminate();return -1;}// 使窗口上下文当前上下文glfwMakeContextCurrent(window);

    创建了绘制上下文，并设置为当前上下文以后，还不能使用OpenGL最新的特性，

一般我们使用Glfw库，首先初始化GLFW库，即需要调用glfwInit()，：得到OpenGL随显卡驱动一起发布的新特性的函数入口地址。

   //初始化GLFW，得到OpenGL随显卡驱动一起发布的新特性的函数入口地址glfwInit();//下面glfwWindowHint函数配置GLFW====================glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);//设置主板本号为3glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);//设置副版本号为3glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);//核心模式(Core-profile)//参数1：选项的名称。可以从很多以GLFW_开头的枚举值中选择//参数2：接受一个整型，用来设置这个选项的值//设置版本号为3.3版本,需要告诉GLFW我们要使用的OpenGL版本是3.3//GLFW会在创建OpenGL上下文时做出适当的调整。//这也可以确保用户在没有适当的OpenGL版本支持的情况下无法运行//如果你使用的是Mac OS X系统，你还需要解除下面这行代码的注释//glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);// 创建窗口对象GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL) {//创建窗口对象失败，打印错误信息std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;//需要引用iostream头文件//终止GLFWglfwTerminate();return -1;}//参数1：窗口宽//参数2：窗口高//参数3：窗口标题（名字）//参数4，参数5暂时忽略//返回值类型：GLFWwindow*：我们会在其它的GLFW操作中使用到// 使窗口上下文当前上下文glfwMakeContextCurrent(window);

 5.4、线程私有

        OpenGL的绘制命令都是作用在当前的Context上，这个Current Context是一个线程私有（thread-local）的变量，也就是说如果我们在线程中绘制，那么需要为该线程制定一个Current Context的，当多个线程参与绘制任务时，需要原线程解绑再重新绑定新的线程。多个线程不能同时指定同一个Context为Current Context，否则会导致崩溃。

六、OpenGL的开发模式

6.1、立即渲染模式 (Compatibility Profile)

     Compatibility Profile兼容之前的OpenGL固定管线的内容，也可以使用Core Profile中的内容。

      早期的OpenGL使用立即渲染模式（Immediate mode，也就是固定渲染管线），OpenGL 3.2版本以前都是该模式，该模式固定以glBegin开始绘制，以glEnd结束绘制，明确规定了先做什么后做什么，有一套固定的函数和执行流程，开发者可以“傻瓜式”的使用这些函数来实现渲染效果，它面向过程，比较简单、易于理解，但是灵活性（固定的执行流程）和性能都较差（CPU与GPU通信频繁）。

6.2、 核心模式(Core Profile)

          核心模式即着色器渲染模式，从3.2版本开始废弃了立即渲染模式，开发者通过编写shader来完成图形的渲染，常见的shader有vertex shader和fragment shader，这种模式较为灵活和高效，但是比较复杂。

    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。

   现今，更高版本的OpenGL已经发布（写作时最新版本为4.6），你可能会问：既然OpenGL 4.6 都出来了，为什么我们还要学习OpenGL 3.3？答案很简单，​所有OpenGL的更高的版本都是在3.3的基础上，引入了额外的功能，并没有改动核心架构。​新版本只是引入了一些更有效率或更有用的方式去完成同样的功能。因此，所有的概念和技术在现代OpenGL版本里都保持一致。当你的经验足够，你可以轻松使用来自更高版本OpenGL的新特性。

    除了core profile（核心渲染模式）和compatibility profile（立即渲染模式）外，还有一种模式：foward compatibility，这个表示所有标记为deprecated的函数都禁用，这个模式只对opengl3.0及以上的版本有效。但这个选项对OpenGL 3.2+ compatibility Profile Context没有任何作用。

七、OpenGL需要了解的技术和知识

1、计算机图形学基础：理解基本的计算机图形学概念，如向量、矩阵、变换、光照、纹理等，可以帮助你更好地理解和使用 OpenGL。这些主题通常在计算机图形学的入门课程中介绍。
2、线性代数：在计算机图形学中，我们经常需要处理 2D 或 3D 空间中的点和向量，这需要一些线性代数的知识。至少要熟悉向量的加法、减法和点积，以及如何使用矩阵进行变换。
3、计算机硬件：理解计算机硬件，特别是图形处理器 (GPU) 的基本工作原理，可以帮助你理解 OpenGL 的许多设计决策，以及为什么某些操作比其他操作更快。
4、IDE 和调试工具：熟悉一个集成开发环境（如 Visual Studio、Eclipse 或者 PyCharm）将会对你编写和调试代码非常有帮助。此外，学习使用像 gDEBugger 或者 RenderDoc 这样的 OpenGL 调试工具也是很有用的。
5、API 文档和教程：熟悉 OpenGL 的官方文档（或你正在使用的语言绑定的文档）。这将是你在学习和使用 OpenGL 时的重要资源。同时，还有许多优秀的在线教程，如https://learnopengl.com/Getting-started/OpenGL；https://learnopengl-cn.github.io/.