计算机图形学—从0开始构建一个OpenGL软光栅

一、OpenGL 简介

OpenGL（Open Graphics Library）是图形领域的工业标准，是一套跨编程语言、跨平台、专业的图形编程（软件）接口。它用于二维、三维图像，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。它与硬件无关，可以在不同的平台如 Windows、Linux、Mac、Android、IOS 之间进行移植。因此，支持 OpenGL 的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用（比如 PS 在部分功能和操作中使用 OpenGL 加速，以提高图像处理和渲染的性能）。

二、OpenGL 的主要特性

1. 低层次的渲染 API：OpenGL 提供了直接与图形硬件进行交互的能力。这使得它非常强大，因为它可以充分利用图形处理器（GPU）的性能。然而，这也意味着使用 OpenGL 需要对计算机图形学有深入的理解。

2. 状态机：OpenGL 是一个状态机，这意味着你可以通过一系列的函数调用来改变它的内部状态，然后这些状态会影响后续的渲染操作。

3. 可扩展性：OpenGL 的一个重要特性是它的可扩展性。硬件制造商可以为他们的硬件特性定义新的 OpenGL 函数和参数。这些扩展可以通过 OpenGL 的扩展机制被查询和使用。

4. 跨平台和跨语言：OpenGL 可以在所有主要的操作系统（如 Windows、macOS 和 Linux）上运行，并且有各种编程语言的绑定，包括 C、C++、Python、Java 和许多其他语言。

5. 显示列表和着色器：OpenGL 提供了两种主要的方式来指定如何渲染图形。一种是通过使用显示列表来指定一系列的顶点和参数。另一种是通过使用着色器，这是一种在 GPU 上运行的小程序，可以控制图形的最终颜色和位置。

三、点、直线和多边形

我们知道数学（具体的说，是几何学）中有点、直线和多边形的概念，但这些概念在计算机中会有所不同。数学上的点，只有位置，没有大小。但在计算机中，无论计算精度如何提高，始终不能表示一个无穷小的点。另一方面，无论图形输出设备（例如，显示器）如何精确，始终不能输出一个无穷小的点。一般情况下，OpenGL中的点将被画成单个的像素（像素的概念，请自己搜索之~），虽然它可能足够小，但并不会是无穷小。同一像素上，OpenGL可以绘制许多坐标只有稍微不同的点，但该像素的具体颜色将取决于OpenGL的实现。当然，过度的注意细节就是钻牛角尖，我们大可不必花费过多的精力去研究“多个点如何画到同一像素上”。同样的，数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。

四、实战案例：画一个圆

正四边形，正五边形，正六边形，……，直到正n边形，当n越大时，这个图形就越接近圆当n大到一定程度后，人眼将无法把它跟真正的圆相区别这时我们已经成功的画出了一个“圆”

（注：画圆的方法很多，这里使用的是比较简单，但效率较低的一种）

试修改下面的const int n的值，观察当n=3,4,5,8,10,15,20,30,50等不同数值时输出的变化情况

将GL_POLYGON改为GL_LINE_LOOP、GL_POINTS等其它方式，观察输出的变化情况

#include <math.h>

const int n = 20;

const GLfloat R = 0.5f;

const GLfloat Pi = 3.1415926536f;

void myDisplay(void)

{

int i;

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glBegin(GL_POLYGON);

for(i=0; i<n; ++i)

glVertex2f(R*cos(2*Pi/n*i), R*sin(2*Pi/n*i));

glEnd();

glFlush();

}

五、OpenGL的基本使用

以下是一个简单的OpenGL程序示例，使用C++和GLFW库创建一个窗口并绘制一个三角形：

GLuint texture;

glGenTextures(1, &texture);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 800, 600, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, texture, 0);

六、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。