OpenGL学习笔记
一、简介
OpenGL（Open Graphics Library）是一个跨编程语言、跨平台的编程图形程序接口，它将计算机的资源抽象称为一个个OpenGL的对象，对这些资源的操作抽象为一个个的OpenGL指令。
OpenGL有着以下主要特性:
1. 低层次的渲染 API
OpenGL 提供了直接与图形硬件进行交互的能力。这使得它非常强大，因为它可以充分利用图形处理器（GPU）的性能。然而，这也意味着使用 OpenGL 需要对计算机图形学有深入的理解。
2. 状态机
OpenGL 是一个状态机，这意味着你可以通过一系列的函数调用来改变它的内部状态，然后这些状态会影响后续的渲染操作。
3. 可扩展性
OpenGL 的一个重要特性是它的可扩展性。硬件制造商可以为他们的硬件特性定义新的 OpenGL 函数和参数。这些扩展可以通过 OpenGL 的扩展机制被查询和使用。
4. 跨平台和跨语言
OpenGL 可以在所有主要的操作系统（如 Windows、macOS 和 Linux）上运行，并且有各种编程语言的绑定，包括 C、C++、Python、Java 和许多其他语言。
5. 显示列表和着色器
OpenGL 提供了两种主要的方式来指定如何渲染图形。一种是通过使用显示列表来指定一系列的顶点和参数。另一种是通过使用着色器，这是一种在 GPU 上运行的小程序，可以控制图形的最终颜色和位置。
二、前置知识
在学习OpenGL之前，以下是一些应该需要了解的技术和知识：
1.编程语言
OpenGL 是一个 C 语言库，因此理解 C 语言（或 C++）的基本知识是非常有用的。然而，许多其他语言（如 Python、Java、JavaScript 等）也有 OpenGL 的绑定，所以你可以选择你最熟悉的语言来学习。
2.计算机图形学基础
理解基本的计算机图形学概念，如向量、矩阵、变换、光照、纹理等，可以帮助你更好地理解和使用 OpenGL。这些主题通常在计算机图形学的入门课程中介绍。
3.线性代数
在计算机图形学中，我们经常需要处理 2D 或 3D 空间中的点和向量，这需要一些线性代数的知识。至少要熟悉向量的加法、减法和点积，以及如何使用矩阵进行变换。
4.计算机硬件
理解计算机硬件，特别是图形处理器 (GPU) 的基本工作原理，可以帮助你理解 OpenGL 的许多设计决策，以及为什么某些操作比其他操作更快。
5.IDE 和调试工具
熟悉一个集成开发环境（如 Visual Studio、Eclipse 或者 PyCharm）将会对你编写和调试代码非常有帮助。此外，学习使用像 gDEBugger 或者 RenderDoc 这样的 OpenGL 调试工具也是很有用的。
6.API 文档和教程
熟悉 OpenGL 的官方文档（或你正在使用的语言绑定的文档）。这将是你在学习和使用 OpenGL 时的重要资源。同时，还有许多优秀的在线教程，如 learnopengl.com。
三、OpenGL的基本概念
1.工作流程
定义图形数据
首先，你需要定义你要渲染的图形数据，这些数据主要包括顶点数据。例如，如果你要渲染一个三角形，你就需要定义三个顶点的坐标。这些数据通常存储在顶点缓冲对象（Vertex Buffer Object，VBO）中。
定义着色器程序
着色器是运行在图形处理器（GPU）上的小程序，用于控制图形的渲染过程。最常见的着色器类型有顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）。顶点着色器用于处理顶点数据，片元着色器用于计算像素的颜色。
渲染图形
在图形数据和着色器程序都准备好之后，你可以调用 OpenGL 的函数来渲染图形。在渲染过程中，OpenGL 会根据你设置的状态和着色器程序来处理顶点数据，生成图形，并将图形绘制到一个叫做帧缓冲（Frame Buffer）的内存区域。
显示图形
最后，你可以将帧缓冲的内容显示到屏幕上。这通常是通过交换前后帧缓冲（在双缓冲模式下）或者直接复制帧缓冲的内容到屏幕上完成的。
2.基本组件
顶点（Vertex）
顶点是构成图形的基本元素。一个顶点主要包含位置信息，但也可能包含颜色、法线、纹理坐标等其他信息。在 OpenGL 中，顶点数据通常存储在顶点缓冲对象（VBO）中，并通过顶点数组对象（VAO）来管理。
坐标（Coordinates）
OpenGL 使用坐标来描述顶点的位置。在 3D 空间中，每个顶点都有一个三维坐标（x, y, z）。在 OpenGL 中，所有的坐标都被归一化到一个叫做裁剪空间（Clip Space）的立方体中，这个立方体的中心位于原点，长度、宽度和高度都是 2。
颜色（Color）
颜色用于描述顶点或者片元的颜色。在 OpenGL 中，颜色通常由红、绿、蓝三个分量来表示，每个分量的值在 0 到 1 之间。有时候还会有一个额外的分量 alpha，用于表示颜色的透明度。
纹理（Texture）
纹理是一个图像，可以被映射到图形的表面上，增加图形的细节。每个顶点都可以有一个或多个纹理坐标，用于指定纹理的哪一部分应该被映射到顶点上。在 OpenGL 中，纹理数据通常存储在纹理对象中。
着色器（Shader）
着色器是运行在 GPU 上的小程序，用于控制图形的渲染过程。顶点着色器（Vertex Shader）用于处理顶点数据，片元着色器（Fragment Shader）用于计算像素的颜色。
帧缓冲（Frame Buffer）
帧缓冲是一个内存区域，用于存储渲染的结果。在渲染过程中，OpenGL 会将图形绘制到帧缓冲中。帧缓冲中的数据最终可以被复制到屏幕上，或者被保存为图像文件。
3.状态机模型
OpenGL 使用一种称为 “状态机” 的模型来管理它的操作。这意味着在任何给定的时间点，OpenGL 都有一组相关的 “状态” ，这些状态会影响 OpenGL 的操作和行为。
状态机模型的工作方式是，你设置一些状态，然后执行一些操作，这些操作会根据当前的状态来执行。例如，你可以设置颜色状态为红色，然后绘制一个形状，这个形状就会被渲染成红色。如果你改变颜色状态为蓝色，然后再绘制一个形状，那么新的形状就会被渲染成蓝色。
OpenGL 的状态包括诸如当前的颜色、光照参数、纹理参数、视口大小、裁剪平面等等。这些状态可以通过特定的 OpenGL 函数进行设置。例如，使用 glColor3f 函数可以设置当前的颜色，使用 glViewport 函数可以设置视口大小。
一旦设置了 OpenGL 的某个状态，该状态就会保持不变，直到你明确地改变它。这就是为什么 OpenGL 被称为状态机：它保存了一系列的状态，这些状态在调用绘图命令时决定了行为。
一个重要的概念是，OpenGL 的状态是全局的。这意味着如果你在一部分代码中改变了状态，那么这个改变会影响到所有后续的 OpenGL 调用，直到你再次改变那个状态。这就是为什么良好的编程实践是在更改了 OpenGL 状态后尽快恢复它，这样你就不会意外地影响到其他部分的代码。
总的来说，理解 OpenGL 是一种状态机，并且知道如何设置和管理这些状态，是有效使用 OpenGL 的关键。