openGL绘制地球

openGL系列文章目录

前言

某些类型的对象（例如球体、圆锥体等）具有数学定义，这些定义有助于算法生成。例
如，对于半径为R 的圆，围绕其圆周的点的坐标可以被很好地定义

图1

我们可以系统地使用圆的几何知识来通过算法建立球体模型。我们的策略如下。
（1）在整个球体上，选择表示一系列圆形“水平切片”的精度。见图2 的左侧。
（2）将每个圆形切片的圆周细分为若干个点。见图6.2 的右侧。更多的点和水平切片可
以生成更精确、更平滑的球体模型。在我们的模型中，每个切片将具有相同数量的点。
（3）将顶点分组为三角形。一种方法是逐步遍历顶点，在每一步构建两个三角形。例如，
当我们沿着图6.3 中球体上5 个彩色顶点这一行移动时，对于这5 个顶点中的每一个，我们构建了以相应颜色显示的两个三角形

一、代码

#include "glew/glew.h"
#include "glfw/glfw3.h"
#include "glm/glm.hpp"
#include "glm/gtc/matrix_transform.hpp"
#include "glm/gtc/type_ptr.hpp"
#include "Sphere.h"
#include "Utils.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

using namespace std;

static const int screen_width = 1920;
static const int screen_height = 1080;

int width = 0, height = 0;
float aspect = 0.f;
float cameraX = 0.f, cameraY = 0.f, cameraZ = 0.f;
float sphereLocX = 0.f, spherelocY = 0.f, sphereLocZ = 0.f;

GLuint renderingProgram = 0;
static const int numberVAOs = 1;
static const int numberVBOs = 3;
GLuint vao[numberVAOs] = { 0 };
GLuint vbo[numberVBOs] = { 0 };

glm::mat4 mMat(1.f), vMat(1.f), mvMat(1.f), pMat(1.f);
int mvLoc = 0;
int projLoc = 0;
float rotAmt = 0.f;

GLuint earthTextureId = 0;

Sphere earth = Sphere(48);

void setupVertices()
{
  vector<int> ind = earth.getIndices();
  vector<glm::vec3> vert = earth.getVertices();
  vector<glm::vec2> tex = earth.getTexCoords();
  vector<glm::vec3> norm = earth.getNormals();
  vector<glm::vec3> tang = earth.getTangents();

  vector<float> pValues;
  vector<float> tValues;
  vector<float> nValues;

  int numIndices = earth.getNumIndices();
  for (int i=0; i<numIndices; i++)
  {
    pValues.push_back((vert[ind[i]]).x);
    pValues.push_back((vert[ind[i]]).y);
    pValues.push_back((vert[ind[i]]).z);

    tValues.push_back((tex[ind[i]]).s);
    tValues.push_back((tex[ind[i]]).t);

    nValues.push_back((norm[ind[i]]).x);
    nValues.push_back((norm[ind[i]]).y);
    nValues.push_back((norm[ind[i]]).z);
  }

  glGenVertexArrays(numberVAOs, vao);
  glBindVertexArray(vao[0]);

  glGenBuffers(numberVBOs, vbo);
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, pValues.size() * 4, &pValues[0], GL_STATIC_DRAW);

  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, tValues.size() * 4, &tValues[0], GL_STATIC_DRAW);

  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[2]);
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, nValues.size() * 4, &nValues[0], GL_STATIC_DRAW);
}

void init(GLFWwindow* window)
{
  renderingProgram = Utils::createShaderProgram("vertShader.glsl", "fragShader.glsl");
  cameraX = 0.f, cameraY = 0.f, cameraZ = 6.f;
  sphereLocX = 0.f, spherelocY = 0.f, sphereLocZ = 0.f;
  glfwGetFramebufferSize(window, &width, &height);

  //屏幕坐标和窗口的帧缓冲
  /*GLFW在这里和这里解释文档中的两个坐标系。
    简而言之，窗口坐标是相对于监视器和 / 或窗口的，并且以不一定对应于真实屏幕像素的人造单元给出。 当DPI缩放被激活时（例如，在带有视网膜显示器的Mac上），情况尤其如此。
    与窗口坐标相比，帧缓冲区的大小与像素相关，以便与glViewport OpenGLs要求相匹配。
    请注意，在某些系统上，窗口坐标和像素坐标可以相同，但这不一定是正确的。*/
  aspect = (float)width / (float)height;
  pMat = glm::perspective(glm::radians(45.f), aspect, 0.01f, 1000.f);

  setupVertices();

  earthTextureId = Utils::loadTexture("resource/earth.jpg");
}

void display(GLFWwindow* window, float currentTime)
{
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  glClearColor(0.1f, 0.2f, 1.f, 1.f);

  //必不可少！！！否则窗口是黑的，不会渲染任何东西
  glUseProgram(renderingProgram);

  mvLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "mv_matrix");
  projLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "proj_matrix");

  //移动相机矩阵:这里必须是-cameraZ，否则相机看不到球体
  vMat = glm::translate(glm::mat4(1.f), glm::vec3(cameraX, cameraY, -cameraZ));
  mMat = glm::translate(glm::mat4(1.f), glm::vec3(sphereLocX, spherelocY, sphereLocZ));
  mMat = glm::rotate(glm::mat4(1.f), currentTime * 0.5f, glm::vec3(0.f, 1.f, 0.f));


  //右乘规则
  //mvMat = mMat * vMat;   //金字塔会离开视口
  mvMat = vMat * mMat;

  //更改一个uniform矩阵变量或数组的值。要更改的uniform变量的位置由location指定，location的值应该由glGetUniformLocation函数返回
  // 将透视矩阵和MV 矩阵复制给相应的统一变量
  /*通过一致变量（uniform修饰的变量）引用将一致变量值传入渲染管线。
    location : uniform的位置。
    count : 需要加载数据的数组元素的数量或者需要修改的矩阵的数量。
    transpose : 指明矩阵是列优先(column major)矩阵（GL_FALSE）还是行优先(row major)矩阵（GL_TRUE）。
    value : 指向由count个元素的数组的指针。
  */
  glUniformMatrix4fv(mvLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvMat));
  glUniformMatrix4fv(projLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(pMat));

  //绑定到球体顶点缓冲区
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
  //指定了渲染时索引值为 index 的顶点属性数组的数据格式和位置
  /*Parameters
  index
    指定要修改的顶点属性的索引值

    size
    指定每个顶点属性的组件数量。必须为1、2、3或者4。初始值为4。（梦维：如position是由3个（x, y, z）组成，而颜色是4个（r, g, b, a））

    type
    指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_FIXED, 和 GL_FLOAT，初始值为GL_FLOAT。

    normalized
    指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（GL_TRUE）或者直接转换为固定点值（GL_FALSE）。

    stride
    指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0。

    pointer
    指定一个指针，指向数组中第一个顶点属性的第一个组件。初始值为0。*/
  glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
  //启用或禁用通用顶点属性数组,参数0索引和着色器中的layout(location = 0）中的0相对应,顶点位置
  glEnableVertexAttribArray(0);

  //绑定到纹理坐标
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);
  glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
  glEnableVertexAttribArray(1);

  //激活纹理坐标 
  glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, earthTextureId);

  //背面剔除，默认情况下，背面剔除是关闭的
  glEnable(GL_CULL_FACE);
  glFrontFace(GL_CCW);

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, earth.getNumIndices());
  //glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, earth.getNumVertices());
}

void window_size_callback(GLFWwindow* window, int newWidth, int newHeight)
{
  glViewport(0, 0, newWidth, newHeight);
  aspect = (float)newWidth / (float)newHeight;
  pMat = glm::perspective(glm::radians(45.f), aspect, 0.01f, 1000.f);
}

int main(int argc, char** argv)
{
  int glfwState = glfwInit();
  if (GLFW_FALSE == glfwState)
  {
    cout << "GLFW initialize failed,invoke glfwInit()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
    glfwTerminate();
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 4);
  glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 6);
  glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE, GLFW_OPENGL_PROFILE);
  glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GL_TRUE);

  GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(screen_width, screen_height, "Sphere Draw", nullptr, nullptr);
  if (!window)
  {
    cout << "GLFW create window failed,invoke glfwCreateWindow()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
    glfwTerminate();
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  glfwMakeContextCurrent(window);

  glfwSetWindowSizeCallback(window, window_size_callback);

  glfwSwapInterval(1);

  int glewState = glewInit();
  if (GLEW_OK != glewState)
  {
    cout << "GLEW initialize failed,invoke glewInit()......Error file:" << __FILE__ << "......Error line:" << __LINE__ << endl;
    glfwTerminate();
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  init(window);

  while (!glfwWindowShouldClose(window))
  {
    display(window, (float)glfwGetTime());
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
  }

  glfwDestroyWindow(window);
  glfwTerminate();
  exit(EXIT_SUCCESS);

  return 0;
}

顶点着色器

#version 460 core

layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec2 texCoords;

uniform mat4 mv_matrix;
uniform mat4 proj_matrix;

//uniform sampler2D samp;
layout (binding = 0) uniform sampler2D samp;

//out vec4 color;
out vec2 tc;

void main()
{
  gl_Position = proj_matrix * mv_matrix * vec4(position, 1.f);
  tc = texCoords;
}

片元着色器

#version 460 core

in vec2 tc;
out vec4 color;

uniform mat4 mv_matrix;
uniform mat4 proj_matrix;

layout(binding = 0) uniform sampler2D samp;

void main()
{
  color = texture(samp, tc);
}

二、运行效果

源码下载

​​源码工程下载​​