[OpenGL Insights] Ch1. Teching Computer Graphics Starting with Shader-based OpenGL

本章主要是介绍老师该如何教导学生。如何从OpenGL3.1以前的教学思路转到shader-based思路。虽说不直接讲解OpenGL技术，但是对于理解OpenGL变化及变化的原因有益。还是需要好好看看。

1.1 Introduction

从OpenGL3.1开始，fixed function pipeline（固定功能流水线）被废弃并删除。每个OpenGL程序必须至少提供一个vertex shader（顶点着色器）和一个fragment shader（片断着色器）。

下面从历史的角度，编写程序的方式变化了，但是概念的变化不大。下面先用fixed function pipeline写个Hello World，再看在Shader-based中该如何写这个程序。最后，我将说明，shader-based OpenGL如何影响图形学标准课程中所要讲的话题。

1.2 A basic course

图形学所要讨论的主要话题是（这在过去和现在一致）：

（1）modeling

（2）geometry

（3）transformations

（4）lighting and shading

（5）texture mapping and pixel processing

1.3. Hello World in OpenGL : Old style

我们先从一个简单程序开始，此程序常写在OpenGL3.1前。在黑色背景下画一个白色矩形，为了延迟讨论coordinate systems, transformations, giving vertex positions in clip coordinates这些概念，大部变量使用默认值。

// List1.1 Hello Worldvoid display(void){glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glBegin(GL_POLYGON);glVertex2f(-0.5, -0.5);glVertex2f(-0.5, 0.5);glVertex2f(0.5, 0.5);glVertex2f(0.5, -0.5);glEnd();//glutSwapBuffers();glFlush();}int main(int argc, char** argv){glutInit(&argc, argv);//glutInitDisplayMode(GL_RGBA | GLUT_DOUBLE);glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);glutInitWindowSize(500, 500);glutInitWindowPosition(100, 100);glutCreateWindow("Hello World");glutDisplayFunc(display);glutMainLoop();}

结果为：

Figure 1.1

原书使用的是双缓存，但我的实验电脑不支持，于是使用单缓存。

这里有三个主要问题：

（1）使用immediate mode（立即模式）

此程序中，除了glClear，其他的函数都被废弃（额）。理解为什么废弃这些函数对于理解为什么要使用更新的OpenGL很关键。OpenGL使用立即模式，当每个顶点被创建时，触发执行vertex shader。几何处理在GPU上由vertex shader执行，当每次我们想显示矩形时，这个简单的程序需要四次独立的向GPU发送顶点位置。但是，由于这个程序太过简单，未到CPU和GPU的瓶颈，故而看不出为什么要废弃掉老的函数。

（2）依赖于fixed function pipeline

让数据以可预测的方式被处理，让人感到舒服。但是，这也会造成一种误区：只有立即模式一种模式。于是，当几何体非常复杂而导致渲染速度极慢时，我们感到无措。

（3）state variables使用默认值（可以看到cleare color默认为黑色，而glColor默认为白色，类似于背景色和前影色）

1.4 Starting with programmable pipelines

虽说从2.0就支持了programmable pipeline，但是程序员一般还是习惯使用被废弃的函数。

OpenGL3.0宣称，从OpenGL3.1开始，将不再向后兼容。OpenGL3.1有一个shader-based的core，和一个对被废弃函数支持的扩展。我们选择使用完全的shader-based，与OpenGL3.1 core保持一致（实际上OpenGL2.0大部分也可以，因为3.1并非必要条件）。编写这样一个程序，先看看我们需要什么。

shader-based程序要求至少一个vertex shader和一个fragment shader。讲解者必须简要的介绍OpenGL Shading Language（GLSL）。因为GLSL是类C的，故而我们可以利用Shader-based写个Hello World，而不深入讨论GLSL。讲解者必须介绍些概念，如program objects和shader到底做了什么。关于shader到底做些什么，可以参见西川善司。虽然理解这些概念需要花点时间，但是他们都是理解现代graphics system的核心，越早了解越好。

介绍Shader的一个难点是，OpenGL应用程序必须读取，编译，链接Shader（好像Shader是一个外部模块一样）。这些操作需要一个OpenGL函数，并且这些函数对于理解基本的图形概念没有意义。先介绍第一个函数：

GLuint program = InitShaders("vertex_shader_file", "fragment_shader_file")

从函数读入shader文件并且编译链接他们。如果成功，则返回一个program object。此函数的源代码是可被利用的，我们在后面讲解。

另外，需要一个小的C++包，提供了一维，二维，三维，四维矩阵或者向量类。即使OpenGL可以用C和Shader编写，但是GLSL依赖额外的矩阵和向量操作，使用了C++的构造函数，运算符重载。

1.5 Hello World: New Style

即使最简单的应用程序也需要三个部分：配置shader的初始化程序和窗口系统接口，形成数据并把数据发送到GPU，在GPU中渲染数据。第一个部分使用InitShader可以轻松实现。第三个部分只需要清除缓存，并调用glDrawArrays。第二部分与立即模式不同。即使最简单的程序，我们也需要介绍vertex buffer objects和vertex array objects。我们用一个新的程序来讨论这些话题，此程序与List1.1的输出相同。List1.2为OpenGL程序，List1.3为vertex shader，List1.4为fragment shader。

List1.2中使用了一个"Angel.h"的头文件（此头文件好像不公开，我没找到，所以程序先不测试），里面有InitShader的源码和一些数学操作。我们注意到，此程序使用了两个三角形而不是一个四边形，从OpenGL3.1开始，四边形是唯一被支持的filled type。使用vec2只初始化一个数组，说明了为什么限制为三角形。我们还可以讨论其他可选择的如triangle stripe和triangle fan。

下面是最难的部分，即使他只有5行代码。我们分配了一个vertex array obejct(VAO)和一个vertex buffer object（VBO）。

接下来的代码与立即模式一样，除了glDrawArrays的使用。

不需要花太多时间去讨论Shaders，他不要求很多的GLSL知识。

1.5.1 OpenGl ES and WebGL

OpenGL ES 2.0是shader-based，并且支持多种设备，包括iPhones。WebGl是JavaScript实现了OpenGL ES 2.0，可以在最新的浏览器上运行。

1.6 The rest of course

下面介绍些所谓的高级图形的核心。

1.6.1. Geometry

CG是建立在一些基本的几何概念上的。如basic types（scalars, points, vectors），simple objects（triangles, planes, polylines），methods of representation（coordinates system, frame）。我们花一些时间讨论如何通过vertex buffer建立几何模型。

考虑建一个立方体模型。这个模型在讨论transformations, viewing, lighting, texture mapping很有用。由于我们只能渲染三角形，因而我们有多种方式渲染立方体。我们已经介绍了使用vertex buffer，作为扩展我们可以讨论glDrawElements。在课程中，Color经常被附加在vertex上。因为老的built-in状态变量（包括当前颜色和顶点位置）已经不是OpenGl状态的一部分，因而这些状态变量需要在程序中定义并传入到GPU。

1.6.2 Transformations and viewing

这部分内容花较多时间。先介绍标准的affine transformations（仿射变换）：translation, rotation, scaling，以及如何使用他们。接下来介绍projective transformation（投影变换），包括standard orthographic（标准正交投影）和perpective transformations（透视投影）。OpenGL3.1前，API使用简单的矩阵函数来实现变换，如glMatrixMode, glLoadMatrix, glLoadIdentity, glMultiMatrix，标准变换函数，如glTranslate, glRotate, glScale，矩阵堆栈函数，如glPushMatrix, glPopMatrix，投影函数，如glOrtho, glFrustum。所有这些函数都被废弃。并且，由于许多状态变量都被废弃，当前矩阵的概念就没有了。

现在，讲解者在齐次坐标中讲解affine transformation。即使，关于坐标轴的translation, rotation, scaling函数都比较好写，但是关于任意轴的就比较困难，可以用多种方式来搞。不使用这些API的一个好处是学生可以自己参考而不依赖于API。不过，我们已经加了函数到矩阵/向量类中（这里可能是作者写的工具类），包括标准viewing matrices。这样做的原因是我们经常需要比较在程序中实现变换和在shader中实现变换。

1.6.3 Lighting and shading

这部分说明了shader-based的好处。过去，在fixed function pipeline中，学生只能用Blinn-Phong模型。其他的模型可以被讨论但是只能在offline manner中实现。另一个等价的问题是只有vertex lighting可以用。因此当学习Phong and Gouraud shading时，不能在pipeline中实现Phong shading。而在shader-based中，我们可以自己实现per-vertex shading和per-fragment shading。

被废弃的立即模式状态变量可能引起问题。最大的问题发生在法向的变换。而现在，当实现lighting shader时，必须提供normal matrix，因为状态变量gl_NormalMatrix已经被废弃。学生可以自已经实现normal matrix，在程序中或者shader中。

1.6.4 Texturing and discrete processing

OpenGL3.1前的大部分纹理函数都没有变化。应用程序在程序中配置texture object。纹理坐标可以在程序中作为vertex attribute指定，也可以在vertexshader中指定，然后由rasterizer进行插值。最后在fragment shader中使用sampler为每一个fragment上颜色。

从OpenGL3.1开始，pixel processing变得很难。bitmap-writing和pixel-writing函数以及一些相关函数，如使用accumulation buffer，都被废弃。虽然这些函数使用起来简单，但是低效。下面有个例子，编码简单但是导致使用GPU的利用率不高，并且由于反复的在CPU和GPU间传送大量数据使用效率达到瓶颈。一个好的代替方案是使用fragment shader管理纹理。例如，List1.5的一个简单的fragment shader已经足够说明足够说明image smoothing，并且可以进行简单的调整就可以适用别的图像操作。

in vec2 texCoord;out vec4 FragColor;uniform float d;uniform Sampler2D image;void main(){    FragColor=    (texture(image, vec2(texCoord.x+d, texCoord.y))    + texture(image, vec2(texCoord.x, texCoord.y+d))    + texture(image, vec2(texCoord.x-d, texCoord.y))    + texture(image, vec2(texCoord.x, texCoord.y-d))/4.0;}// List 1.5 Image-Smoothing shader

1.6.5 Advanced Topics

这里讨论三个问题。

一是curves 和 surfaces。即使evaluator（求值器）已经被废弃，但是在应用程序端还是很容易创建。如果使用较新的OpenGL，有一种更有意思的方法来生成parametric cubic curves：使用geometry shaders。Geometry shaders并不会增加编程复杂度，并且可以用来介绍subdivision curve和surface。Tesselation shaders用来介绍parametric polynomial surfaces更好，但是对于第一课来讲比较难。

二是framebuffer obejct(FOBs)。理解FOBs需要了解更多的OpenGL细节，他会打开许多领域，用以创建一个优秀的程序。有时候需要动态的图像操作，可以将图像先渲染到一个off-screen buffer中，然后在下一次迭代使用此buffer作为一个纹理。

三是，由于graphics system如OpenGl将诸如rasterization, clipping, hidden-surface removal封装起来，使用学习的人不用再考虑这些细节，故而对图形学理论理解不深。而programmable shader可以使用学生更好的学习并实现graphics algorithms。

1.6.6 Issues

原先我们关心的重点是CPU和GPU，而但是我们关心的是GPU本身。如何使用窗口系统是个问题。GLUT提供了对许多标准窗口系统的接口。他允许创建管理多个窗口，支持鼠标键盘交互。GLUT已经10年未变，所以不适应shader-based OpenGL，因为GLUT使用了很多废弃的函数。但是，依赖于显卡及驱动，很多GLUT还是可以使用。例如，Mac OS X Lion支持OpenGL3.2， 但是3.2profile与GLUT框架不兼容。

现在有些替代方案可使用，虽然最好的还有待开发。

参考：

1. 《OpenGL编程指南E7》CH15。