欢迎来到第四课!您将学到:

  • 绘制立方体,向单调的三角形说再见
  • 加上绚丽的色彩
  • 深度缓冲(Z-Buffer)

绘制立方体

立方体有六个方形表面,而OpenGL只支持画三角形,因此需要画12个三角形,每个面两个。我们用定义三角形顶点的方式来定义这些顶点。

// Our vertices. Tree consecutive floats give a 3D vertex; Three consecutive vertices give a triangle.
// A cube has 6 faces with 2 triangles each, so this makes 6*2=12 triangles, and 12*3 vertices
static const GLfloat g_vertex_buffer_data[] = {
-1.0f,-1.0f,-1.0f, // triangle 1 : begin
-1.0f,-1.0f, 1.0f,
-1.0f, 1.0f, 1.0f, // triangle 1 : end
1.0f, 1.0f,-1.0f, // triangle 2 : begin
-1.0f,-1.0f,-1.0f,
-1.0f, 1.0f,-1.0f, // triangle 2 : end
1.0f,-1.0f, 1.0f,
-1.0f,-1.0f,-1.0f,
1.0f,-1.0f,-1.0f,
1.0f, 1.0f,-1.0f,
1.0f,-1.0f,-1.0f,
-1.0f,-1.0f,-1.0f,
-1.0f,-1.0f,-1.0f,
-1.0f, 1.0f, 1.0f,
-1.0f, 1.0f,-1.0f,
1.0f,-1.0f, 1.0f,
-1.0f,-1.0f, 1.0f,
-1.0f,-1.0f,-1.0f,
-1.0f, 1.0f, 1.0f,
-1.0f,-1.0f, 1.0f,
1.0f,-1.0f, 1.0f,
1.0f, 1.0f, 1.0f,
1.0f,-1.0f,-1.0f,
1.0f, 1.0f,-1.0f,
1.0f,-1.0f,-1.0f,
1.0f, 1.0f, 1.0f,
1.0f,-1.0f, 1.0f,
1.0f, 1.0f, 1.0f,
1.0f, 1.0f,-1.0f,
-1.0f, 1.0f,-1.0f,
1.0f, 1.0f, 1.0f,
-1.0f, 1.0f,-1.0f,
-1.0f, 1.0f, 1.0f,
1.0f, 1.0f, 1.0f,
-1.0f, 1.0f, 1.0f,
1.0f,-1.0f, 1.0f
};

OpenGL的缓冲由一些标准的函数(glGenBuffers, glBindBuffer, glBufferData, glVertexAttribPointer)来创建、绑定、填充和配置;这些可参阅第二课。若有遗忘,可参见第二课。绘制的调用也没变,只需改变绘制的点的个数:

// Draw the triangle !
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 12*3); // 12*3 indices starting at 0 -> 12 triangles -> 6 squares

关于这段代码,有几点要说明一下:

  • 截至目前我们使用的三维模型都是固定的:只能在源码中修改模型,重新编译,然后祈祷不要出什么差错。我们将在第七课中学习如何动态地加载模型。
  • 实际上,每个顶点至少出现了三次(在以上代码中搜索”-1.0f,-1.0f,-1.0f”看看)。这严重浪费了内存空间。我们将在第九课中学习怎样对此进行优化。

现在您已具备绘制一个白色立方体的所有条件。试着让着色器运行起来吧:)

增色添彩

从概念上讲,颜色与位置是一回事:就是数据嘛。OpenGL术语中称之为”属性(attribute)”。其实我们之前已用glEnableVertexAttribArray()和glVertexAttribPointer()设置过属性了。现在加上颜色属性,代码很相似。

首先声明颜色:每个顶点一个RGB三元组。这里随机生成一些颜色,所以效果看起来可能不太好;您可以调整得更好些,例如把顶点的位置作为颜色值。

// One color for each vertex. They were generated randomly.
static const GLfloat g_color_buffer_data[] = {
0.583f, 0.771f, 0.014f,
0.609f, 0.115f, 0.436f,
0.327f, 0.483f, 0.844f,
0.822f, 0.569f, 0.201f,
0.435f, 0.602f, 0.223f,
0.310f, 0.747f, 0.185f,
0.597f, 0.770f, 0.761f,
0.559f, 0.436f, 0.730f,
0.359f, 0.583f, 0.152f,
0.483f, 0.596f, 0.789f,
0.559f, 0.861f, 0.639f,
0.195f, 0.548f, 0.859f,
0.014f, 0.184f, 0.576f,
0.771f, 0.328f, 0.970f,
0.406f, 0.615f, 0.116f,
0.676f, 0.977f, 0.133f,
0.971f, 0.572f, 0.833f,
0.140f, 0.616f, 0.489f,
0.997f, 0.513f, 0.064f,
0.945f, 0.719f, 0.592f,
0.543f, 0.021f, 0.978f,
0.279f, 0.317f, 0.505f,
0.167f, 0.620f, 0.077f,
0.347f, 0.857f, 0.137f,
0.055f, 0.953f, 0.042f,
0.714f, 0.505f, 0.345f,
0.783f, 0.290f, 0.734f,
0.722f, 0.645f, 0.174f,
0.302f, 0.455f, 0.848f,
0.225f, 0.587f, 0.040f,
0.517f, 0.713f, 0.338f,
0.053f, 0.959f, 0.120f,
0.393f, 0.621f, 0.362f,
0.673f, 0.211f, 0.457f,
0.820f, 0.883f, 0.371f,
0.982f, 0.099f, 0.879f
};

缓冲的创建、绑定和填充方法与之前一样:

GLuint colorbuffer;
glGenBuffers(1, &colorbuffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorbuffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(g_color_buffer_data), g_color_buffer_data, GL_STATIC_DRAW);

配置也一样:

// 2nd attribute buffer : colors
glEnableVertexAttribArray(1);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorbuffer);
glVertexAttribPointer(
1, // attribute. No particular reason for 1, but must match the layout in the shader.
3, // size
GL_FLOAT, // type
GL_FALSE, // normalized?
0, // stride
(void*)0 // array buffer offset
);

现在在顶点着色器中已经能访问这个新增的缓冲了:

// Notice that the "1" here equals the "1" in glVertexAttribPointer
layout(location = 1) in vec3 vertexColor;

这一课的顶点着色器没有什么复杂的效果,仅仅是简单地把颜色传递到片段着色器:

// Output data ; will be interpolated for each fragment.
out vec3 fragmentColor;

void main(){

[...]

// The color of each vertex will be interpolated
// to produce the color of each fragment
fragmentColor = vertexColor;
}

在片段着色器中要再次声明片段颜色:

// Interpolated values from the vertex shaders
in vec3 fragmentColor;

然后将其拷贝到输出颜色:

// Output color = color specified in the vertex shader,
// interpolated between all 3 surrounding vertices
color = fragmentColor;

于是得到:

呃,太难看了。为了搞清楚出现这种情况原因,我们先看看画一个”远”和”近”的三角形会发生什么:

似乎挺好。现在画”远”三角形:

它遮住了”近”三角形!它本应该在”近”三角形后面的!我们的立方体问题就在这里:一些理应被遮挡的面,因为绘制次序靠后,竟然变成可见的了。我们将用深度缓冲(Z-Buffer)算法解决它。

便签1
如果您没发现问题,把摄像机放到(4,3,-3)试试
便签2
如果”颜色和位置同为属性”,那为什么颜色要声明 out vec3 fragmentColor,而位置不需要?实际上,位置有点特殊:它是唯一必须赋初值的(否则OpenGL不知道在哪画三角形)。所以在顶点着色器里, gl_Position是内置变量。

深度缓冲(Z-Buffer)The Z-Buffer

该问题的解决方案是:在缓冲中存储每个片段的深度(即”Z”值);并且每次绘制片段之前要比较当前与先前片段的深度值,看谁离摄像机更近。

您可以自己实现深度缓冲,但让硬件自动完成更简单:

// Enable depth test
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// Accept fragment if it closer to the camera than the former one
glDepthFunc(GL_LESS);

问题解决了。

练习

  • 在不同的位置画立方体三角形。您得构造两个MVP矩阵,在主循环中进行两次绘制调用,但只需一个着色器。

  • 自己生成颜色值。一些点子:随机生成颜色,这样每次运行时颜色都不同;根据顶点位置生成颜色;把前面两种思路结合起来;或其他创意:)。若您不了解C,参考以下语法:

static GLfloat g_color_buffer_data[12*3*3];
for (int v = 0; v < 12*3 ; v++){
g_color_buffer_data[3*v+0] = your red color here;
g_color_buffer_data[3*v+1] = your green color here;
g_color_buffer_data[3*v+2] = your blue color here;
}
  • 完成上面习题后,尝试每帧都改变颜色。您得在每帧都调用glBufferData。请确保已绑定(glBindBuffer)了合适的缓冲!