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OpenGL 与 Go 教程(一)Hello, OpenGL

2017-10-05 21:27    收藏: 2    

这篇教程的所有源代码都可以在 GitHub 上找到。

介绍

OpenGL 是一门相当好的技术,适用于从桌面的 GUI 到游戏,到移动应用甚至 web 应用的多种类型的绘图工作。我敢保证,你今天看到的图形有些就是用 OpenGL 渲染的。可是,不管 OpenGL 多受欢迎、有多好用,与学习其它高级绘图库相比,学习 OpenGL 是要相当足够的决心的。

这个教程的目的是给你一个切入点,让你对 OpenGL 有个基本的了解,然后教你怎么用 Go 操作它。几乎每种编程语言都有绑定 OpenGL 的库,Go 也不例外,它有 go-gl 这个包。这是一个完整的套件,可以绑定 OpenGL ,适用于多种版本的 OpenGL。

这篇教程会按照下面列出的几个阶段进行介绍,我们最终的目标是用 OpenGL 在桌面窗口绘制游戏面板,进而实现康威生命游戏。完整的源代码可以在 GitHub github.com/KyleBanks/conways-gol 上获得,当你有疑惑的时候可以随时查看源代码,或者你要按照自己的方式学习也可以参考这个代码。

在我们开始之前,我们要先弄明白康威生命游戏Conway's Game of Life 到底是什么。这里是 Wikipedia 上面的总结:

《生命游戏》,也可以简称为 Life,是一个细胞自动变化的过程,由英国数学家 John Horton Conway 于 1970 年提出。

这个“游戏”没有玩家,也就是说它的发展依靠的是它的初始状态,不需要输入。用户通过创建初始配置文件、观察它如何演变,或者对于高级“玩家”可以创建特殊属性的模式,进而与《生命游戏》进行交互。

规则

《生命游戏》的世界是一个无穷多的二维正交的正方形细胞的格子世界,每一个格子都有两种可能的状态,“存活”或者“死亡”,也可以说是“填充态”或“未填充态”(区别可能很小,可以把它看作一个模拟人类/哺乳动物行为的早期模型,这要看一个人是如何看待方格里的空白)。每一个细胞与它周围的八个细胞相关联,这八个细胞分别是水平、垂直、斜对角相接的。在游戏中的每一步,下列事情中的一件将会发生:

  1. 当任何一个存活的细胞的附近少于 2 个存活的细胞时,该细胞将会消亡,就像人口过少所导致的结果一样
  2. 当任何一个存活的细胞的附近有 2 至 3 个存活的细胞时,该细胞在下一代中仍然存活。
  3. 当任何一个存活的细胞的附近多于 3 个存活的细胞时,该细胞将会消亡,就像人口过多所导致的结果一样
  4. 任何一个消亡的细胞附近刚好有 3 个存活的细胞,该细胞会变为存活的状态,就像重生一样。

不需要其他工具,这里有一个我们将会制作的演示程序:

Conway's Game of Life - 示例游戏

在我们的运行过程中,白色的细胞表示它是存活着的,黑色的细胞表示它已经死亡。

概述

本教程将会涉及到很多基础内容,从最基本的开始,但是你还是要对 Go 由一些最基本的了解 —— 至少你应该知道变量、切片、函数和结构体,并且装了一个 Go 的运行环境。我写这篇教程用的 Go 版本是 1.8,但它应该与之前的版本兼容。这里用 Go 语言实现没有什么特别新奇的东西,因此只要你有过类似的编程经历就行。

这里是我们在这个教程里将会讲到的东西:

最后的源代码可以在 GitHub 上获得,每一节的末尾有个回顾,包含该节相关的代码。如果有什么不清楚的地方或者是你感到疑惑的,看看每一节末尾的完整代码。

现在就开始吧!

安装 OpenGL 和 GLFW

我们介绍过 OpenGL,但是为了使用它,我们要有个窗口可以绘制东西。 GLFW 是一款用于 OpenGL 的跨平台 API,允许我们创建并使用窗口,而且它也是 go-gl 套件中提供的。

我们要做的第一件事就是确定 OpenGL 的版本。为了方便本教程,我们将会使用 OpenGL v4.1,但要是你的操作系统不支持最新的 OpenGL,你也可以用 v2.1。要安装 OpenGL,我们需要做这些事:

# 对于 OpenGL 4.1
$ go get github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl

# 或者 2.1
$ go get github.com/go-gl/gl/v2.1/gl

然后是安装 GLFW:

$ go get github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw

安装好这两个包之后,我们就可以开始了!先创建 main.go 文件,导入相应的包(我们待会儿会用到的其它东西)。

package main

import (
    "log"
    "runtime"

    "github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl" // OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
    "github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
)

接下来定义一个叫做 main 的函数,这是用来初始化 OpenGL 以及 GLFW,并显示窗口的:

const (
    width  = 500
    height = 500
)

func main() {
    runtime.LockOSThread()

    window := initGlfw()
    defer glfw.Terminate()

    for !window.ShouldClose() {
        // TODO
    }
}

// initGlfw 初始化 glfw 并且返回一个可用的窗口。
func initGlfw() *glfw.Window {
    if err := glfw.Init(); err != nil {
            panic(err)
    }

    glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor, 4) // OR 2
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor, 1)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)

    window, err := glfw.CreateWindow(width, height, "Conway's Game of Life", nil, nil)
    if err != nil {
            panic(err)
    }
    window.MakeContextCurrent()

    return window
}

好了,让我们花一分钟来运行一下这个程序,看看会发生什么。首先定义了一些常量, widthheight —— 它们决定窗口的像素大小。

然后就是 main 函数。这里我们使用了 runtime 包的 LockOSThread(),这能确保我们总是在操作系统的同一个线程中运行代码,这对 GLFW 来说很重要,GLFW 需要在其被初始化之后的线程里被调用。讲完这个,接下来我们调用 initGlfw 来获得一个窗口的引用,并且推迟(defer)其终止。窗口的引用会被用在一个 for 循环中,只要窗口处于打开的状态,就执行某些事情。我们待会儿会讲要做的事情是什么。

initGlfw 是另一个函数,这里我们调用 glfw.Init() 来初始化 GLFW 包。然后我们定义了 GLFW 的一些全局属性,包括禁用调整窗口大小和改变 OpenGL 的属性。然后创建了 glfw.Window,这会在稍后的绘图中用到。我们仅仅告诉它我们想要的宽度和高度,以及标题,然后调用 window.MakeContextCurrent,将窗口绑定到当前的线程中。最后就是返回窗口的引用了。

如果你现在就构建、运行这个程序,你看不到任何东西。很合理,因为我们还没有用这个窗口做什么实质性的事。

定义一个新函数,初始化 OpenGL,就可以解决这个问题:

// initOpenGL 初始化 OpenGL 并且返回一个初始化了的程序。
func initOpenGL() uint32 {
    if err := gl.Init(); err != nil {
            panic(err)
    }
    version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
    log.Println("OpenGL version", version)

    prog := gl.CreateProgram()
    gl.LinkProgram(prog)
    return prog
}

initOpenGL 就像之前的 initGlfw 函数一样,初始化 OpenGL 库,创建一个程序program。“程序”是一个包含了着色器shader的引用,稍后会用着色器shader绘图。待会儿会讲这一点,现在只用知道 OpenGL 已经初始化完成了,我们有一个程序的引用。我们还打印了 OpenGL 的版本,可以用于之后的调试。

回到 main 函数里,调用这个新函数:

func main() {
    runtime.LockOSThread()

    window := initGlfw()
    defer glfw.Terminate()

    program := initOpenGL()

    for !window.ShouldClose() {
        draw(window, program)
    }
}

你应该注意到了现在我们有 program 的引用,在我们的窗口循环中,调用新的 draw 函数。最终这个函数会绘制出所有细胞,让游戏状态变得可视化,但是现在它做的仅仅是清除窗口,所以我们只能看到一个全黑的屏幕:

func draw(window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(prog)

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

我们首先做的是调用 gl.clear 函数来清除上一帧在窗口中绘制的东西,给我们一个干净的面板。然后我们告诉 OpenGL 去使用我们的程序引用,这个引用还没有做什么事。最终我们告诉 GLFW 用 PollEvents 去检查是否有鼠标或者键盘事件(这一节里还不会对这些事件进行处理),告诉窗口去交换缓冲区 SwapBuffers交换缓冲区 很重要,因为 GLFW(像其他图形库一样)使用双缓冲,也就是说你绘制的所有东西实际上是绘制到一个不可见的画布上,当你准备好进行展示的时候就把绘制的这些东西放到可见的画布中 —— 这种情况下,就需要调用 SwapBuffers 函数。

好了,到这里我们已经讲了很多东西,花一点时间看看我们的实验成果。运行这个程序,你应该可以看到你所绘制的第一个东西:

Conway's Game of Life - 第一个窗口

完美!

在窗口里绘制三角形

我们已经完成了一些复杂的步骤,即使看起来不多,但我们仍然需要绘制一些东西。我们会以三角形绘制开始,可能这第一眼看上去要比我们最终要绘制的方形更难,但你会知道这样的想法是错的。你可能不知道的是三角形或许是绘制的图形中最简单的,实际上我们最终会用某种方式把三角形拼成方形。

好吧,那么我们想要绘制一个三角形,怎么做呢?我们通过定义图形的顶点来绘制图形,把它们交给 OpenGL 来进行绘制。先在 main.go 的顶部里定义我们的三角形:

var (
    triangle = []float32{
        0, 0.5, 0, // top
        -0.5, -0.5, 0, // left
        0.5, -0.5, 0, // right
    }
)

这看上去很奇怪,让我们分开来看。首先我们用了一个 float32 切片slice,这是一种我们总会在向 OpenGL 传递顶点时用到的数据类型。这个切片包含 9 个值,每三个值构成三角形的一个点。第一行, 0, 0.5, 0 表示的是 X、Y、Z 坐标,是最上方的顶点,第二行是左边的顶点,第三行是右边的顶点。每一组的三个点都表示相对于窗口中心点的 X、Y、Z 坐标,大小在 -11 之间。因此最上面的顶点 X 坐标是 0,因为它在 X 方向上位于窗口中央,Y 坐标是 0.5 意味着它会相对窗口中央上移 1/4 个单位(因为窗口的范围是 -11),Z 坐标是 0。因为我们只需要在二维空间中绘图,所以 Z 值永远是 0。现在看一看左右两边的顶点,看看你能不能理解为什么它们是这样定义的 —— 如果不能立刻就弄清楚也没关系,我们将会在屏幕上去观察它,因此我们需要一个完美的图形来进行观察。

好了,我们定义了一个三角形,但是现在我们得把它画出来。要画出这个三角形,我们需要一个叫做顶点数组对象Vertex Array Object或者叫 vao 的东西,这是由一系列的点(也就是我们定义的三角形)创造的,这个东西可以提供给 OpenGL 来进行绘制。创建一个叫做 makeVao 的函数,然后我们可以提供一个点的切片,让它返回一个指向 OpenGL 顶点数组对象的指针:

// makeVao 执行初始化并从提供的点里面返回一个顶点数组
func makeVao(points []float32) uint32 {
    var vbo uint32
    gl.GenBuffers(1, &vbo)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER, 4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)

    var vao uint32
    gl.GenVertexArrays(1, &vao)
    gl.BindVertexArray(vao)
    gl.EnableVertexAttribArray(0)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.VertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, nil)

    return vao
}

首先我们创造了顶点缓冲区对象Vertex Buffer Object 或者说 vbo 绑定到我们的 vao 上,vbo 是通过所占空间(也就是 4 倍 len(points) 大小的空间)和一个指向顶点的指针(gl.Ptr(points))来创建的。你也许会好奇为什么它是 4 倍 —— 而不是 6 或者 3 或者 1078 呢?原因在于我们用的是 float32 切片,32 个位的浮点型变量是 4 个字节,因此我们说这个缓冲区以字节为单位的大小是点个数的 4 倍。

现在我们有缓冲区了,可以创建 vao 并用 gl.BindBuffer 把它绑定到缓冲区上,最后返回 vao。这个 vao 将会被用于绘制三角形!

回到 main 函数:

func main() {
    ...

    vao := makeVao(triangle)
    for !window.ShouldClose() {
        draw(vao, window, program)
    }
}

这里我们调用了 `makeVao` ,从我们之前定义的 `triangle` 顶点中获得 `vao` 引用,将它作为一个新的参数传递给 `draw` 函数:

func draw(vao uint32, window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(program)

    gl.BindVertexArray(vao)
    gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(triangle) / 3))

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

然后我们把 OpenGL 绑定到 vao 上,这样当我们告诉 OpenGL 三角形切片的顶点数(除以 3,是因为每一个点有 X、Y、Z 坐标),让它去 DrawArrays ,它就知道要画多少个顶点了。

如果你这时候运行程序,你可能希望在窗口中央看到一个美丽的三角形,但是不幸的是你还看不到。还有一件事情没做,我们告诉 OpenGL 我们要画一个三角形,但是我们还要告诉它怎么画出来。

要让它画出来,我们需要叫做片元着色器fragment shader顶点着色器vertex shader的东西,这些已经超出本教程的范围了(老实说,也超出了我对 OpenGL 的了解),但 Harold Serrano 在 Quora 上对对它们是什么给出了完美的介绍。我们只需要理解,对于这个应用来说,着色器是它内部的小程序(用 OpenGL Shader Language 或 GLSL 编写的),它操作顶点进行绘制,也可用于确定图形的颜色。

添加两个 import 和一个叫做 compileShader 的函数:

import (
    "strings"
    "fmt"
)

func compileShader(source string, shaderType uint32) (uint32, error) {
    shader := gl.CreateShader(shaderType)

    csources, free := gl.Strs(source)
    gl.ShaderSource(shader, 1, csources, nil)
    free()
    gl.CompileShader(shader)

    var status int32
    gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS, &status)
    if status == gl.FALSE {
        var logLength int32
        gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH, &logLength)

        log := strings.Repeat("\x00", int(logLength+1))
        gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength, nil, gl.Str(log))

        return 0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
    }

    return shader, nil
}

这个函数的目的是以字符串的形式接受着色器源代码和它的类型,然后返回一个指向这个编译好的着色器的指针。如果编译失败,我们就会获得出错的详细信息。

现在定义着色器,在 makeProgram 里编译。回到我们的 const 块中,我们在这里定义了 widthhegiht

vertexShaderSource = `
    #version 410
    in vec3 vp;
    void main() {
        gl_Position = vec4(vp, 1.0);
    }
` + "\x00"

fragmentShaderSource = `
    #version 410
    out vec4 frag_colour;
    void main() {
        frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1);
    }
` + "\x00"

如你所见,这是两个包含了 GLSL 源代码字符串的着色器,一个是顶点着色器vertex shader,另一个是片元着色器fragment shader。唯一比较特殊的地方是它们都要在末尾加上一个空终止字符,\x00 —— OpenGL 需要它才能编译着色器。注意 fragmentShaderSource,这是我们用 RGBA 形式的值通过 vec4 来定义我们图形的颜色。你可以修改这里的值来改变这个三角形的颜色,现在的值是 RGBA(1, 1, 1, 1) 或者说是白色。

同样需要注意的是这两个程序都是运行在 #version 410 版本下,如果你用的是 OpenGL 2.1,那你也可以改成 #version 120。这里 120 不是打错的,如果你用的是 OpenGL 2.1,要用 120 而不是 210

接下来在 initOpenGL 中我们会编译着色器,把它们附加到我们的 program 中。

func initOpenGL() uint32 {
    if err := gl.Init(); err != nil {
        panic(err)
    }
    version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
    log.Println("OpenGL version", version)

    vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    prog := gl.CreateProgram()
    gl.AttachShader(prog, vertexShader)
    gl.AttachShader(prog, fragmentShader)    
    gl.LinkProgram(prog)
    return prog
}

这里我们用顶点着色器(vertexShader)调用了 compileShader 函数,指定它的类型是 gl.VERTEX_SHADER,对片元着色器(fragmentShader)做了同样的事情,但是指定的类型是 gl.FRAGMENT_SHADER。编译完成后,我们把它们附加到程序中,调用 gl.AttachShader,传递程序(prog)以及编译好的着色器作为参数。

现在我们终于可以看到我们漂亮的三角形了!运行程序,如果一切顺利的话你会看到这些:

Conway's Game of Life - Hello, Triangle!

总结

是不是很惊喜!这些代码画出了一个三角形,但我保证我们已经完成了大部分的 OpenGL 代码,在接下来的章节中我们还会用到这些代码。我十分推荐你花几分钟修改一下代码,看看你能不能移动三角形,改变三角形的大小和颜色。OpenGL 可以令人心生畏惧,有时想要理解发生了什么很困难,但是要记住,这不是魔法 - 它只不过看上去像魔法。

下一节里我们讲会用两个锐角三角形拼出一个方形 - 看看你能不能在进入下一节前试着修改这一节的代码。不能也没有关系,因为我们在 第二节 还会编写代码, 接着创建一个有许多方形的格子,我们把它当做游戏面板。

最后,在第三节 里我们会用格子来实现 Conway’s Game of Life

回顾

本教程 main.go 文件的内容如下:

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "runtime"
    "strings"

    "github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl" // OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
    "github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
)

const (
    width  = 500
    height = 500

    vertexShaderSource = `
        #version 410
        in vec3 vp;
        void main() {
            gl_Position = vec4(vp, 1.0);
        }
    ` + "\x00"

    fragmentShaderSource = `
        #version 410
        out vec4 frag_colour;
        void main() {
            frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1.0);
        }
    ` + "\x00"
)

var (
    triangle = []float32{
        0, 0.5, 0,
        -0.5, -0.5, 0,
        0.5, -0.5, 0,
    }
)

func main() {
    runtime.LockOSThread()

    window := initGlfw()
    defer glfw.Terminate()
    program := initOpenGL()

    vao := makeVao(triangle)
    for !window.ShouldClose() {
        draw(vao, window, program)
    }
}

func draw(vao uint32, window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(program)

    gl.BindVertexArray(vao)
    gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(triangle)/3))

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

// initGlfw 初始化 glfw 并返回一个窗口供使用。
func initGlfw() *glfw.Window {
    if err := glfw.Init(); err != nil {
        panic(err)
    }
    glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor, 4)
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor, 1)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)

    window, err := glfw.CreateWindow(width, height, "Conway's Game of Life", nil, nil)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    window.MakeContextCurrent()

    return window
}

// initOpenGL 初始化 OpenGL 并返回一个已经编译好的着色器程序
func initOpenGL() uint32 {
    if err := gl.Init(); err != nil {
        panic(err)
    }
    version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
    log.Println("OpenGL version", version)

    vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    prog := gl.CreateProgram()
    gl.AttachShader(prog, vertexShader)
    gl.AttachShader(prog, fragmentShader)
    gl.LinkProgram(prog)
    return prog
}

// makeVao 执行初始化并从提供的点里面返回一个顶点数组
func makeVao(points []float32) uint32 {
    var vbo uint32
    gl.GenBuffers(1, &vbo)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER, 4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)

    var vao uint32
    gl.GenVertexArrays(1, &vao)
    gl.BindVertexArray(vao)
    gl.EnableVertexAttribArray(0)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.VertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, nil)

    return vao
}

func compileShader(source string, shaderType uint32) (uint32, error) {
    shader := gl.CreateShader(shaderType)

    csources, free := gl.Strs(source)
    gl.ShaderSource(shader, 1, csources, nil)
    free()
    gl.CompileShader(shader)

    var status int32
    gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS, &status)
    if status == gl.FALSE {
        var logLength int32
        gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH, &logLength)

        log := strings.Repeat("\x00", int(logLength+1))
        gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength, nil, gl.Str(log))

        return 0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
    }

    return shader, nil
}

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via: https://kylewbanks.com/blog/tutorial-opengl-with-golang-part-1-hello-opengl

作者:kylewbanks 译者:GitFuture 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

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