前一段时间，看了一下OpenGL，把OpenGL红宝书看了几章，实现了书里面的例程，虽然书里面的例程大部分都能看懂，但是总感觉还是不会使用。对于在游戏引擎的实现中，OpenGL（或是D3D）会在哪些地方使用到，怎么使用等问题，都还是非常模糊，因此我觉得有必要进行一下实践。刚好之前看的《3D Game Engine Programming》里面，采用D3D实现了一个简单的游戏引擎，所以我打算使用OpenGL来实现他的渲染系统。同时，也可以顺便观察一下OpenGL与D3D在具体使用过程中的区别。
基于使用角度分析的区别
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OpenGL中的矩阵采用列向量(Ogre等)，而D3D采用行向量。这个差异的后果就是，矩阵相乘的顺序会发生改变，以及变换矩阵中平移变换元素的位置发生改变。 在OpenGL中，矩阵与向量相乘的顺序是
ProjectionMatrix * ViewMatrix * ModelMatrix * VertexPosition，而在D3D中则是VertexPosition * ModelMatrix * ViewMatrix * ProjectionMatrix，刚好相反，显然D3D的顺序更符合人类的认知习惯，但从计算机的角度来讲，使用列向量似乎可以获得一个好的运行效率。 在OpenGL中，平移变量为m[1][4] = x, m[2][4] = y, m[3][4] = z，而在D3D中则是m[4][1] = x, m[4][2] = y, m[4][3] = z，对于比例，旋转变换，OpenGL与D3D没有什么区别。 若是用float m[16];来表示一个4 × 4的矩阵，那么对于OpenGL和D3D来说，平移变换变量都是m[12] = x, m[13] = y, m[14]= z, 因为m[12]对于OpenGL来说代表第一行第四列,对于D3D来说则代表第四行第一列。 -
从个人的角度来讲，OpenGL的编程属于C风格，D3D则偏向于C++风格。 在OpenGL中，实现各种功能主要是通过调用
gl或是wgl(Win平台)开头的全局函数，设置参数，传入数据，绘制…… 而在D3D中，首先通过一个全局函数获取一个D3D的接口，通过这个接口创建一个D3D设备，并且获得设备接口，然后通过这个接口来实现绘制。 -
实现多窗口渲染时的区别。多窗口渲染的例子有游戏中的小地图，以及CAD中的3视图等。 在D3D中，一个可行的方法是调用
CreateWindowEx创建n个Window，然后为每个Window创建一个SwapChain（一个SwapChain有Front和Back两个Buffer，通过调用SwapChain的Present函数来进行切换），通过调用SwapChain的GetBackBuffer获取SwapChain的BackBuffer，然后调用D3D设备接口的SetRenderTarget函数，将BackBuffer设为当前绘制上下文。在不同的SwapChain之间切换，就可以实现多窗口渲染。之前写的OpenGL程序都是直接使用的glut创建窗口，根本不知道OpenGL绘图的时候，需要创建
绘制上下文，并且将绘制上下文与当前窗口的DC绑定，才能开始绘制绘制图形。由此可见，过度依赖于封装好的函数库，对于学习来说并不是一件好事。在OpenGL中，要想绘制图形，必须首先创建一个
RC（RenderContext），将RC与窗口的DC绑定，才能开始绘制。一个线程只能拥有一个RC，但是可以有多个DC。所以可以使用下面的方法来进行多窗口渲染。同样调用CreateWindowEx创建n个Window，获取每个Window的DC，并且调用ChoosePixelFormat和SetPixelFormat将每个DC的像素格式(PIXELFORMATDESCRIPTOR)都设置成相同的（RC根据DC创建，一个RC要想与其他DC绑定，该DC必须与创建该RC的DC具有相同的像素格式）。使用wglCreateContext（Win平台前缀为wgl）创建一个RC，然后在渲染每个窗口之前使用wglMakeCurrent(NULL, NULL)解绑定，再调用wglMakeCurrent(DC, RC)来将目标DC与RC绑定，使用SwapBuffers切换目标DC的前后台缓冲。 另一个办法是使用多线程，前面提到一个线程只能拥有一个RC，所以可以通过多线程，来创建多个RC，这样以来接可以避免RC与DC之间的街绑定/绑定问题，实际上，wglMakeCurrent函数还是比较耗时的。
使用经验
谈一谈VBO的使用步骤
这周在调试顶点缓冲，所以将一些心得记录一下。
typedef struct Pure_Vertex
{
// 定义顶点包含的数据，除了坐标数据之外，还可包括纹理，法向量等
float x, y, z;
}PVertex;
/*
一些初始化：如 glewInit()
*/
/*
创建顶点缓冲对象
*/
GLuint vertexbuffer = 0;
// 创建一个缓冲对象，类似于句柄，返回非0才为有效值
// glIsBuffer(vertexbuffer)
glGenBuffers(1, &vertexbuffer);
// 将该对象与特定类型缓冲绑定，
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
// 填入数据
// 创建时也可不必传进pVertexData，只需传入buffer_size
// 后面可用glBufferSubData来修改数据
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, buffer_size, pVertexData, GL_STATIC_DRAW);
// 解绑定
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)
// 对于顶点索引，步骤与上面类似
GLuint indexbuffer = 0;
glGenBuffers(1, &indexbuffer);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexbuffer);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, buffer_size, pIndexData, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
上面包括了一些初始化操作，以及创建顶点缓冲操作，在创建顶点缓冲的时候，可以不马上传进数据，可以在任意位置调用glBufferSubData来修改数据。当然修改之前，先要绑定缓冲对象。
当需要绘制的时候，可以参照下面的步骤。
/*
绘制顶点数据
*/
// 首先绑定相关对象
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexbuffer);
//对于顶点数据，使能各个数据部分
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
// 其次还有 GL_NORMAL_ARRAY, GL_COLOR_ARRAY, GL_TEXTURE_COORD_ARRAY
// 在创建顶点缓冲的时候，不需要设置顶点数据格式，只需要在调用绘制函数之前设置格式即可
// 指定数据的格式，如顶点数据、纹理、法向量的数据类型，偏移量等
// 顶点数据格式，一个顶点3个数据（齐次坐标为4），GL_FLOAT类型，stride(可以理解为周期)，偏移值
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, sizeof(PVertex), 0);
// 除此之外还有 glNormalPointer, glColorPointer, glTexCoordPointer
// 调用绘制指令
if(bUseIndex)
{
// 对于采用了索引缓冲的，调用下面的函数
// 元素类型，索引数量，索引数据类型，索引数据（对于采用了索引缓冲对象的，此处可以传进NULL）
glDrawElements(GL_LINES, index_num, GL_UNSIGNED_SHORT, pIndex);
}
else
{
// 不采用索引
// 元素类型，起始顶点索引，顶点数量
glDrawArrays(GL_LINES, 0, vertex_num);
}
// 绘制完毕，禁用顶点数据各个部分，解绑定
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
上面的代码展示了一次绘制操作的简要流程，在绘制一次之后，只要不删除缓冲对象，那么就可以继续绘制，当不需要这个缓冲对象时，可以删除对象
// 最后可以删除对象
if(glIsBuffer(vertexbuffer))
glDeleteBuffers(1, &vertexbuffer);
if(glIsBuffer(indexbuffer))
glDeleteBuffers(1, &indexbuffer);
使用VAO来管理渲染状态
上面说到了VBO，VBO主要用来作为数据的容器，在具体绘制时，还会涉及到绘制状态参数的设置。VAO的作用就是管理渲染的状态。 使用VAO的步骤如下：
初始化VAO阶段：
创建VAO，绑定VAO;
创建VBO，绑定VBO，填充数据，设置顶点属性，启用顶点属性;
解绑定;
绘制阶段：
绑定VAO;
调用OpenGL绘制函数;
解绑定VAO;
从上面的伪代码中可以看出，在初始化阶段，VAO可以保存设置的渲染状态参数，在绘制阶段，不用再设置渲染状态，就可直接调用绘制函数。 一个使用VAO的例子如下：
typedef struct VERTEX_T
{
float x, y, z;
float vN[3];
}VERTEX;
enum
{
vPosition = 0,
vNormal = 1,
};
// 初始化VBO
void initialVBO(int VertexNum, VERTEX * vertex, int IndexNum, WORD * index)
{
glGenBuffers(1, &vertexVBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexVBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, VertexNum * sizeof(VERTEX), vertex, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glGenBuffers(1, &indexVBO);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexVBO);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, IndexNum * sizeof(WORD), index, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
}
// 初始化VAO
void initial(GLuint vertex, GLuint index)
{
glGenVertexArrays(1, &vao);
glBindVertexArray(vao);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertex);
glEnableVertexAttribArray(vPosition);
glEnableVertexAttribArray(vNormal);
/*
在 vertex shader中可以使用下面的语句获取到每个顶点的属性
layout(location = 0) in vec3 vPosition;
layout(location = 1) in vec3 vNormal;
*/
glVertexAttribPointer(vPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizoef(VERTEX), 0);
glVertexAttribPointer(vNormal, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizoef(VERTEX), (void*)(3 * sizeof(float)));
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index);
glBindVertexArray(0);
}
// 绘制图形
void draw(GLuint vao)
{
glBindVertexArray(vao);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, indexCount, GL_UNSIGNED_SHORT, 0);
glBindVertexArray(0);
}
混合使用固定管线和着色器的一种方法
虽然OpenGL从4.0版本开始彻底删除了固定管线，但是目前各个显卡制造商提供的驱动程序依旧支持固定管线。 我尝试了一个混合使用固定管线和着色器的方法。伪代码如下
初始化VAO阶段：
创建VAO，绑定VAO;
创建VBO，绑定VBO，填充数据，设置顶点格式，设置顶点属性，启用顶点属性;
解绑定;
绘制阶段：
绑定VAO;
if 不使用着色器:
调用 glUseProgram(0)，禁用着色器
调用 glEnableClientState，使能各个顶点格式
else:
调用 glUseProgram(program)，启用着色器
调用OpenGL绘制函数;
if 不使用着色器:
调用 glDisableClientState，禁用各个顶点格式
调用 glUseProgram(0)，禁用着色器
解绑定VAO;
实际上着色器的优先级要高于固定管线，所以只要启用了着色器，不管是否启用各个顶点格式，其最终渲染结果都是由着色器控制。 但是为了消除潜在的不确定性，所以在启用着色器时，最好禁用各个顶点格式。
着色器的Uniform变量
在OpenGL对应的着色器语言GLSL中，Uniform作为一个存储限制符，指定一个变量由应用程序中设置好，在着色器程序中不会发生改变的变量，比如一帧中的MVP（Model, View, Projection）变换矩阵，环境光，纹理等。
声明格式如uniform mat4 MVP;。对Uniform变量的操作，可以参考以下过程。
// 获取名为"mvp"的Uniform变量的存储位置
// program为指定program对象，"mvp"为着色器程序中的变量名
GLint location = glGetUniformLocation(program,"mvp")
// 设置变量值
if(location != -1)
{
glUniformMatrix4fv(location, 1, GL_FALSE, &mvp_matrix);
}
上面的过程会涉及到一些问题，那就是在glGetUniformLocation处，传进了硬字符串。
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当在设计一个引擎的时候，类似于MVP这样的Uniform变量，其值一般是由引擎内部管理的，所以说当用户在写着色器的时候，必须与内部MVP使用的名称相同。
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引擎必须支持对任意的着色器Uniform变量赋值，也就是说假设我在着色器里面有一个名为
time(可以是任意名称)的变量，那么在程序里面，引擎必须提供接口可以为这个名为time的Uniform变量赋值。
就我目前的理解来看，对于第一种情况，似乎只能为每个引擎制定一种着色器规范，然后用户编写着色器的时候，按照这个规范来对某些Uniform进行命名。
OGRE的解决方案： OGRE用
material来组织着色器程序，在着色器程序中，对任意变量可以取任意名称（比如MVP变换矩阵可以取名为”mvp”，也可以取名为”mvp_matrix”，当然，必须得是合法的GLSL标识符）。 写好着色器程序之后，在对应的后缀名为material的文件中，需要对一些自动更新的变量进行映射，比如对于上面的取名为”mvp”的MVP变换矩阵，映射形式如param_named_auto mvp worldviewproj_matrix，其中worldviewproj_matrix就是OGRE内部使用的名称。在OGRE内部，有一个名为
AutoConstanDictionary[]的数组，定义了OGRE内部会进行自动更新的变量的名称。
对于第二种情况，通过OpenGL提供的一些函数可以解决这个问题。
// 建立一张表，来保存当前着色器程序使用到的所有Uniform变量
typedef struct UNIFORM_PARAM_TYPE
{
string name;
GLsizei size;
GLenum type;
GLint location;
}UNIFORM_PARAM;
typedef std::map<string, UNIFORM_PARAM> Uniform_Map;
Uniform_Map uniform_list;
void UseProgram()
{
/*
一些操作
*/
glUseProgram(program);
// 收集 Uniform 信息
CollectUniform(program);
}
void CollectUniform(GLuint program)
{
GLint num = 0;
// 获取当前使用的着色器中，定义了多少个Uniform变量
glGetProgramiv(program, GL_ACTIVE_UNIFORMS, &num);
for(int i = 0; i < num; i++)
{
char buf[256] = {0};
GLsizei length = 0;
GLsizei size = 0;
GLenum type = 0 ;
// 获取每个Uniform变量的信息
glGetActiveUniform(program, i, 256, &length, &size, &type, buf);
if(length > 0)
{
// 获取Uniform的位置
GLint location = glGetUniformLocation(program, buf);
if(location >= 0)
{
// 插入Uniform表中
UNIFORM_PARAM uniform_param;
uniform_param.name.assign(buf);
uniform_param.type = type;
uniform_param.size = size;
uniform_param.location = location;
uniform_list[uniform_param.name] = uniform_param;
}
}
}
}
// 设置变量值，可以进行重载，支持多种数据类型
void SetNamedConstant(string name, float v)
{
// 查找当前着色器程序中是否有名为name的Uniform变量
Uniform_Map::iterator it = uniform_list.find(name);
if(it != uniform_list.end())
{
UNIFORM_PARAM uniform = it->second;
// 根据前面保存的 location 信息，设置值
glUniform1f(uniform.location, v);
}
}
OBJ模型文件的处理
从Blender中可以直接导出包含顶点坐标、纹理坐标、面数据的obj文件和以及包含纹理图片、光照等信息的mtl文件。
其中obj文件的内容结构大致如下
# 注释
# 使用到的材质文件
mtllib material/model.mtl
# 模型类型
o cube
# 整个模型的顶点坐标
v 0.100000 0.100000 0.500000
# 纹理坐标
vt 0.100000 0.100000
# 法线
vn 0.100000 0.100000 0.100000
# 面的定义
# 以下所有面使用的材质
usemtl Material0
# 面 v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 (索引从1开始)
f 1/1/1 2/2/2 3/3/3
可以看出，obj文件中顶点坐标与纹理坐标、法线是分开的，分别采用单独的索引。
但是我们在用OpenGL绘制的时候，只有顶点索引，并没有纹理索引和法线索引，因此，我们必须将顶点坐标、纹理坐标、法线重新组合。
即对于上面的f 1/1/1 2/2/2 3/3/3，我们要生成3个新的顶点，每个顶底都包含有：顶点坐标、纹理坐标、法线信息。
因此，该面可以重新表示为f 1 2 3，其中1 2 3表示我们新生成的顶点的编号。
mtl文件中的信息比较简单，不需要做预处理，直接传给引擎即可。
关于OpenGL的调试
实际上就我个人认为，调试OpenGL还是有点麻烦的。因为OpenGL采用状态机的方式管理渲染流水线，所以有些时候，一个设置不对，就可能不会出现绘制结果，并且也不容易发现到底是哪个地方出了问题。我采用了以下一些步骤来调试。
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首先检查OpenGL函数调用是否出错。OpenGL函数不像D3D的函数，D3D函数大多有
HRESULT的返回值，而OpenGL函数一般没有返回值，所以必须调用glGetError()来获取函数调用状态，若返回值不是GL_NO_ERROR，那么表明函数调用出错。#ifdef _DEBUG #define CHECK_ERROR {\ GLenum error = glGetError();\ if(error != GL_NO_ERROR)\ Log("OpenGL Error > File:%s Line:%d Error:%d",__FILE__, __LINE__, error);\ } #else #define CHECK_ERROR {} #endif我定义了一个上面的宏，如果一个函数里面执行了一些OpenGL函数调用，那么就在这个函数末尾写上
CHECK_ERROR;语句来检查前面的OpenGL函数调用是否出错。OpenGL的机制是一旦某一个OpenGL函数调用出错，在内部就会设置相应的错误标识，通过
glGetError()函数可以获取这个标志，同时，调用glGetError()函数也会清除这个错误标识。否则，这个错误标识会一直存在，后续有其他错误发生，也不会记录新的错误标识。OpenGL的错误代码主要描述了错误的类型，比如
GL_INVALID_ENUM表示发生枚举值错误，GL_INVALID_VALUE表示传给OpenGL函数的值错误等等，一般发生了错误之后，主要是根据错误代码，然后分析每一个OpenGL函数调用，来判定错误发生原因。 -
尝试屏蔽次要OpenGL调用，各个击破。一大堆OpenGL调用聚在一起，是很难调试的，所以要一部分一部分的调试，调试某个部分的时候，先屏蔽掉其他非必要的代码，等这部分调试完毕之后，在调试其它部分。 比如调试顶点缓冲的时候，可以先屏蔽掉深度测试、光照、裁剪等，尽量减少无关的OpenGL函数调用，这样便更容易判断出那个地方可能会出问题，只用关注那一块儿即可。
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获取内部状态。OpenGL提供了一些函数可以用于获取内部的状态变量，比如视图模型矩阵、投影矩阵等的值。 对于视图模型矩阵、投影矩阵，若是调用
gluLookAt和gluPerspective来设置的话，一般不容易出错，可以使用glGetFloatv获取当前试图模型矩阵和投影矩阵。如果手动计算矩阵的话，可以将计算出来的矩阵，和上面两个函数设置的矩阵进行对比，这样就能解决计算上的Bug。
碰到的一些问题
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上面提到了
ChoosePixelFormat函数，当我在运行的时候，运行到这个函数时，程序直接宕掉了。这个函数的参数是HDC和PIXELFORMATDESCRIPTOR，我调试了一下，发现这两个参数应该都不会有问题。后来上网搜了一下，在一个英文网站上发现了类似的问题，上面的解释是这个函数会依赖opengl32.dll，如果之前没有调用任何gl函数的，程序就不会载入opengl32.dll，那么这个函数就会宕掉。解决方法是在这个函数之前随便调用一个gl函数就可以了，我试了一下，调用了一个glLoadIdentity()，果然就没问题了。但是后来，我把这个gl调用去掉之后，又不会宕掉，费解。 -
记一个C++初始化问题，随手写了一个数组初始化，想不到竟然发生了越界，结果运行的时候，是这个地方没有提示异常，反倒是析构的时候报错，debug了半天才发现这个bug。
class A { // 有一些成员 }; class B { A* m_aList[20]; } class B::B() { memset(m_aList, 0, sizeof(A)*20); //随手清零 }也许是初始化结构体数组习惯了，随手就用
memset清零了，一个是指针的大小，一个是类的大小，结果当然就越界了。 正确的是应该使用memset(m_aList, 0, sizeof(A*) * 20)。或者干脆用个for循环赋值。 -
今晚，有个问题困扰了我好久，到现在还没有弄清楚：OpenGL中的颜色字节序。 一般我们常用的颜色格式是
RGBA，整型表示的话就是4个Byte，浮点表示的话就是4个float，建立结构体的话如下struct color { byte r; byte g; byte b; byte a; };在D3D中，往D3D里面传递颜色参数的时候需要用到D3D自带的
D3DCOLOR_RGBA来生成一个DWORD数据，在这个DWORD数据里面，颜色值的顺序是ARGB。x86架构的计算机都是Little Endian，低字节在低地址上，那么内存中的顺序从低字节到高字节应该为B,G,R,A。 再看OpenGL中，查资料也没有看到哪个地方说明了字节序，只是在OGRE的代码里面看到了一个VET_COLOR_ABGR的枚举型变量，注释说是OpenGL的顶点颜色类型，如果这就是OpenGL存储颜色的字节序，那么从低地址到高地址就应该为R,G,B,A了。 有时间还是查查资料，这个搞清楚。 -
由上面一个问题衍生出的一个问题。关于顶点缓冲数组的描述问题。 顶点结构如下:
// Untransformed and lit Vertex struct Light_Vertex { float x, y, z; DWORD clrDiffuse; float tu, tv; }; // D3D Flexible Vertex Format #define LVERTEX_FVF (D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE | D3DFVF_TEX0)在D3D中，对于顶点缓冲数组中的
Diffuse Color数据，是直接接受一个DWORD的，因此，直接调用D3DCOLOR_RGBA构造一个DWORD应该就可以了。 但是在OpenGL中，我查到了一个glColorPointer(GLint size, GLenum type, GLsizei stride, const GLvoid *pointer)函数，第一个参数size的含义是每一个Color由多少个Component组成，只能填3或4，第二个参数type是指每个Component的数据类型。 我的疑问是对于上面的结构体，我的参数组合应该是size = 4, type = GL_UNSIGNED_INT，还是size = 4, type = GL_UNSIGNED_BYTE，理论上，应该是后者，但是如果采用这种组合的话，OpenGL会不会将这个DWORD数据拆开成4个Byte来读取，从低到高分别读取R,G,B,A，那么在一开始创建这个DWORD数据的时候，是不是按A,B,G,R的顺序构造这个颜色呢？ 举个例子，假设我需要的颜色是R=0x01, G=0x02, B=0x03, A=0x04，那么这个DWORD就应该是0x04030201了。 后来，为了看起来更加直观，我将上面的结构体修改成了下面这个:struct Light_Vertex { float x, y, z; union { struct { byte r; byte g; byte b; byte a; }; DWORD clrDiffuse; }; float tu, tv; };