【光栅化渲染器】（一）环境配置

之前我们实现过一个光线追踪器，从这一节开始我们要实现一个运行在 CPU 上的简单的光栅化渲染器，并在实现过程中进一步理解渲染管线的流程和各种细节。首先从配置环境和熟悉 OpenGL 开始。

1 环境配置

我们使用 GLFW 和 GLAD 来显示最终渲染的图片，这些可以参照LearnOpenGL CN上的教程来进行配置。

使用 GLM 作为数学库，下载地址：Releases · g-truc/glm · GitHub

也可以使用和光线追踪器中一样的 STB 图像库来输出图片。

2 OpenGL 基础

下面是一个简单的 OpenGL 程序，但展示了所有 OpenGL 程序的通用流程和框架，包含详细注释：

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

#include <iostream>

// 一些回调函数
// 每当窗口改变大小，GLFW会调用这个函数并填充相应的参数供你处理
// 这里我们在改变窗口大小的时候也改变视口大小
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
    glViewport(0, 0, width, height);
}
// 检测是否按下 ESC 键，如果按下则将WindowShouldClose属性设置为true，这样既可退出渲染循环
void processInput(GLFWwindow* window)
{
    if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}

// 图像设置
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

// 顶点着色器代码，存放在字符串中
const char* vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"}\0";

// 片元着色器代码
const char* fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
"}\n\0";

int main()
{
    // 初始化 GLFW，并配置版本信息等
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

    // 使用 GLFW 创建一个窗口
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
    if (window == NULL)
    {
        std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }
    glfwMakeContextCurrent(window);
    // 注册回调函数
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

    // GLAD 用来来管理OpenGL的函数指针，使其在不同版本不同硬件上能够正确运行
    // 因此在使用 OpenGL 函数前需要先初始化 GLAD
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return -1;
    }


    // 创建并编译顶点着色器代码
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    // 检查编译错误
    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // 创建并编译片元着色器代码
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    // 检查编译错误
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // 将着色器代码链接为一个着色器程序
    unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // 检查链接错误
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // ；链接完成后即可删除着色器对象
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);

    // 定义一个三角形
    float vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // left  
         0.5f, -0.5f, 0.0f, // right 
         0.0f,  0.5f, 0.0f  // top   
    };

    // 创建顶点缓冲区VBA和顶点数组缓冲区VAO
    unsigned int VBO, VAO;
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    // 绑定顶点数组缓冲
    glBindVertexArray(VAO);
    // 绑定顶点缓冲，顶点缓冲是GL_ARRAY_BUFFER类型
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    // 将上面的顶点数据复制到顶点缓冲中
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
    // 链接顶点属性，即告诉OpenGL如何解析顶点数据
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);

    // 解除缓冲区绑定，非必要
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindVertexArray(0);

    // 渲染循环
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        // 是否按下ESC关闭窗口
        processInput(window);

        // 设置清空屏幕缓冲所用的颜色
        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        // 用设置的颜色清空颜色缓冲，可选的还有深度缓冲和模板缓冲
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        // 渲染
        glUseProgram(shaderProgram);
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        // 使用双缓冲渲染，屏幕显示前缓冲区，渲染在后缓冲进行，因此每一帧交换缓冲区
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    // 释放资源
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shaderProgram);

    glfwTerminate();
    return 0;
}

程序运行效果如图：