OpenGL 3D 编程

OpenGL 是一个强大的跨平台图形 API，用于渲染 2D 和 3D 图形。以下是 OpenGL 3D 编程的入门基础。

一. 环境设置

安装必要的库

• GLFW: 用于创建窗口和处理输入

• GLEW 或 GLAD: 用于加载 OpenGL 函数

• GLM: 数学库，用于 3D 变换

// 基本 OpenGL 程序结构示例
#include <GL/glew.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

int main() {
    // 初始化 GLFW
    if (!glfwInit()) return -1;
    
    // 创建窗口
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "OpenGL 3D", NULL, NULL);
    if (!window) {
        glfwTerminate();
        return -1;
    }
    
    // 设置当前上下文
    glfwMakeContextCurrent(window);
    
    // 初始化 GLEW
    if (glewInit() != GLEW_OK) return -1;
    
    // 主循环
    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
        // 清屏
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
        
        // 渲染代码
        
        // 交换缓冲区
        glfwSwapBuffers(window);
        
        // 处理事件
        glfwPollEvents();
    }
    
    glfwTerminate();
    return 0;
}

二. 3D 基础概念

坐标系

• OpenGL 使用右手坐标系

• X轴向右，Y轴向上，Z轴向外（朝向观察者）

变换矩阵

• 模型矩阵(Model): 物体从局部空间到世界空间的变换

• 视图矩阵(View): 世界空间到相机空间的变换

• 投影矩阵(Projection): 从相机空间到裁剪空间的变换

// 使用 GLM 创建变换矩阵示例
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>

glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); // 单位矩阵
model = glm::rotate(model, glm::radians(45.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f)); // 绕Y轴旋转45度
model = glm::translate(model, glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f)); // 沿X轴平移

glm::mat4 view = glm::lookAt(
    glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f), // 相机位置
    glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f),  // 观察目标
    glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f)   // 上向量
);

glm::mat4 projection = glm::perspective(
    glm::radians(45.0f), // 视野角度
    800.0f / 600.0f,     // 宽高比
    0.1f, 100.0f         // 近平面和远平面
);

三. 渲染3D物体

顶点数据

// 立方体顶点数据示例
float vertices[] = {
    // 位置             // 颜色
    -0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
    // ... 其他顶点
};

顶点缓冲对象(VBO)和顶点数组对象(VAO)

unsigned int VBO, VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(1, &VBO);

glBindVertexArray(VAO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

// 颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

着色器程序

顶点着色器示例:

glsl

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

out vec3 ourColor;

void main() {
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor;
}

片段着色器示例:

glsl

#version 330 core
in vec3 ourColor;
out vec4 FragColor;

void main() {
    FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
}