OpenGL入门006——着色器在纹理混合中的应用

本节将理解顶点和片段着色器在纹理混合中的应用

一些概念

纹理

• 概述： 纹理是一张二维图像或一组数据，用来给3D模型赋予更多细节，模拟出更为复杂和逼真的外观。比如一块简单的立方体可以通过纹理变得像是由木材、金属或石头制作，而不需要为此增加实际的几何复杂度

纹理映射： 是将纹理图像的坐标（通常是二维UV坐标）映射到3D模型的表面，UV坐标系用于指定纹理在模型表面上的位置，其中：

• U表示横向坐标（从左到右）
• V表示纵向坐标（从上到下）

每个模型顶点都有一个或多个UV坐标，使得纹理能够精确地贴合到模型表面

纹理类型：

• 颜色纹理：最常见的纹理类型，用于赋予物体颜色和图案
• 法线纹理：用于模拟复杂的表面细节，如凹凸感和细小的表面特征，而无需修改几何体
• 位移纹理：用来改变模型的几何结构，实际移动顶点以产生真实的凹凸效果
• 环境贴图：用于模拟反射或折射效果，创建逼真的镜面或水面效果

时间依赖动画

概述： 使用时间变量来控制动画的状态变换，以确保动画帧以固定的速度播放或根据外部条件动态调整。

时间步进和概率： 动画通常分为帧，每一帧代表动画在特定时间点上的状态，为了使动画平滑，必须考虑帧率（每秒显示的帧数）和时间步进，常见方法包括固定时间步进和可变时间步进

插值方法： 时间依赖动画通常使用插值技术，在两个关键帧之间平滑过渡：

• 线性插值：在起始点和结束点之间按线性比例过渡，适合简单的动画
• 贝塞尔曲线和样条插值：用于创建更复杂、平滑的曲线运行，适合有自然过渡需求的动画，如角色行走或物体掉落

实战

简介

怎么在vscode上使用cmake构建项目，具体可以看这篇Windows上如何使用CMake构建项目 - 凌云行者的博客

目的： 本节将理解顶点和片段着色器在纹理混合中的应用

环境：

• 编译工具链：使用msys2安装的mingw-gcc
• 依赖项：glfw3:x64-mingw-static，glad:x64-mingw-static（通过vcpkg安装）

dependencies

shader.fs

// 指定OpenGL着色器语言的版本为3.30
#version 330 core
// 输入变量，表示纹理坐标
in vec2 TexCoord;
// 输出变量，表示片段的最终颜色
out vec4 FragColor;
// uniform变量，表示第一个纹理
uniform sampler2D texture0;
// uniform变量，表示第二个纹理
uniform sampler2D texture1;
// uniform变量，表示混合比例
uniform float blendRatio;

void main() {
	// 使用mix函数根据blendRatio混合两个纹理的颜色，并将结果赋值给输出变量FragColor
	FragColor = mix(texture(texture0, TexCoord), texture(texture1, TexCoord), blendRatio);
}

shader.vs

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTex;

out vec2 TexCoord;

void main() {
	gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0);
	TexCoord = aTex;
}

teenager.png

tex.png

utils

windowFactory.h

#pragma once
#include <glad/glad.h> // gald前面不能包含任何opengl头文件
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <functional>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

class GLFWWindowFactory {
public:
    // 默认构造函数
    GLFWWindowFactory() {}
    // 构造函数，初始化窗口
    GLFWWindowFactory(int width, int height, const char* title) {
        // 初始化glfw
        glfwInit();
        // 设置opengl版本
        glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
        glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
        // 使用核心模式：确保不使用任何被弃用的功能
        glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

        // 创建glfw窗口
        this->window = glfwCreateWindow(width, height, title, NULL, NULL);
        if (this->window == NULL) {
            cout << "Failed to create GLFW window" << endl;
            glfwTerminate();
            exit(-1);
        }
        // 设置当前窗口的上下文
        glfwMakeContextCurrent(this->window);
        // 设置窗口大小改变的回调函数
        glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
        // 加载所有opengl函数指针
        if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {
            cout << "Failed to initialize GLAD" << endl;
        }
        // 再次设置当前窗口的上下文，确保当前上下文仍然是刚刚创建的窗口，是一个安全措施
        glfwMakeContextCurrent(this->window);
        // 设置窗口大小改变的回调函数
        glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
    }

    // 获取窗口对象
    GLFWwindow* getWindow() {
        return this->window;
    }

    // 运行窗口，传入一个自定义的更新函数
    void run(std::function<void()> updateFunc) {
        // 启用深度测试，opengl将在绘制每个像素之前比较其深度值，以确定该像素是否应该被绘制
        glEnable(GL_DEPTH_TEST);

        // 循环渲染
        while (!glfwWindowShouldClose(this->window)) { // 检查是否应该关闭窗口
            // 清空屏幕所用的颜色
            glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
            // 清空颜色缓冲，主要目的是为每一帧的渲染准备一个干净的画布
            glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

            // 处理输入
            GLFWWindowFactory::process_input(this->window);

            // 执行更新函数
            updateFunc();

            // 交换缓冲区
            glfwSwapBuffers(this->window);
            // 处理所有待处理事件，去poll所有事件，看看哪个没处理的
            glfwPollEvents();
        }

        // 终止GLFW，清理GLFW分配的资源
        glfwTerminate();
    }

    // 窗口大小改变的回调函数
    static void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) {
        // 确保视口与新窗口尺寸匹配，注意在视网膜显示器上，宽度和高度会显著大于指定值
        glViewport(0, 0, width, height);
    }

    // 处理输入
    static void process_input(GLFWwindow* window) {
        // 按下ESC键时进入if块
        if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
            // 关闭窗口
            glfwSetWindowShouldClose(window, true);
    }

private:
    // 窗口对象
    GLFWwindow* window;
};

shader.h

#ifndef SHADER_H
#define SHADER_H

#include <glad/glad.h>
#include <glm/glm.hpp>

#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>

using std::string;
using std::ifstream;
using std::stringstream;
using std::cout;
using std::endl;

class Shader {
public:
    // 默认构造函数
    Shader() {}
    // 着色器程序ID
    unsigned int ID;

    // 构造函数
    Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath) {
        string vertexCode;
        string fragmentCode;
        ifstream vShaderFile;
        ifstream fShaderFile;

        // 确保ifstream对象可以抛出异常
        vShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
        fShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
        try {
            // 打开文件
            vShaderFile.open(vertexPath);
            fShaderFile.open(fragmentPath);
            // 读取文件缓冲区内容到stream中
            stringstream vShaderStream, fShaderStream;
            vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
            fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();
            // 关闭文件处理器
            vShaderFile.close();
            fShaderFile.close();
            // 将stream转换为字符串
            vertexCode = vShaderStream.str();
            fragmentCode = fShaderStream.str();
        } catch (ifstream::failure& e) {
            cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESSFULLY_READ: " << e.what() << endl;
        }
        const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
        const char* fShaderCode = fragmentCode.c_str();
        // 编译着色器
        unsigned int vertex, fragment;
        // 顶点着色器
        vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
        glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
        glCompileShader(vertex);
        checkCompileErrors(vertex, "VERTEX");
        // 片段着色器
        fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
        glShaderSource(fragment, 1, &fShaderCode, NULL);
        glCompileShader(fragment);
        checkCompileErrors(fragment, "FRAGMENT");
        // 着色器程序
        ID = glCreateProgram();
        glAttachShader(ID, vertex);
        glAttachShader(ID, fragment);
        glLinkProgram(ID);
        checkCompileErrors(ID, "PROGRAM");
        // 删除着色器
        glDeleteShader(vertex);
        glDeleteShader(fragment);
    }

    // 激活着色器
    void use() {
        glUseProgram(ID);
    }

    // 实用的uniform工具函数
    // 用于在着色器程序中设置uniform值
    // 设置一个布尔类型的uniform变量
    void setBool(const std::string& name, bool value) const {
        glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), (int)value);
    }

    // 设置一个整型的uniform变量
    void setInt(const std::string& name, int value) const {
        glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
    }

    // 设置一个浮点类型的uniform变量
    void setFloat(const std::string& name, float value) const {
        glUniform1f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
    }

    // 设置一个vec2类型的uniform变量
    void setVec2(const std::string& name, const glm::vec2& value) const {
        glUniform2fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
    }
    // 设置一个vec2类型的uniform变量
    void setVec2(const std::string& name, float x, float y) const {
        glUniform2f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y);
    }

    // 设置一个vec3类型的uniform变量
    void setVec3(const std::string& name, const glm::vec3& value) const {
        glUniform3fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
    }
    // 设置一个vec3类型的uniform变量
    void setVec3(const std::string& name, float x, float y, float z) const {
        glUniform3f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y, z);
    }

    // 设置一个vec4类型的uniform变量
    void setVec4(const std::string& name, const glm::vec4& value) const {
        glUniform4fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
    }
    // 设置一个vec4类型的uniform变量
    void setVec4(const std::string& name, float x, float y, float z, float w) {
        glUniform4f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y, z, w);
    }

    // 设置一个mat2类型的uniform变量
    void setMat2(const std::string& name, const glm::mat2& mat) const {
        glUniformMatrix2fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
    }

    //  设置一个mat3类型的uniform变量
    void setMat3(const std::string& name, const glm::mat3& mat) const {
        glUniformMatrix3fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
    }

    // 设置一个mat4类型的uniform变量
    void setMat4(const std::string& name, const glm::mat4& mat) const {
        glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
    }

private:
    // 检查着色器编译/链接错误
    void checkCompileErrors(GLuint shader, string type) {
        GLint success;
        GLchar infoLog[1024];
        if (type != "PROGRAM") {
            glGetShaderiv(shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
            if (!success) {
                glGetShaderInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
                cout << "ERROR::SHADER_COMPILATION_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << endl;
            }
        }
        else {
            glGetProgramiv(shader, GL_LINK_STATUS, &success);
            if (!success) {
                glGetProgramInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
                cout << "ERROR::PROGRAM_LINKING_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << endl;
            }
        }
    }
};
#endif

RectangleModel.h

#pragma once
#include <glad/glad.h>
#include "shader.h"
#include <vector>
#include <chrono>
#include <cmath>

class RectangleModel {
public:
    // 构造函数
    RectangleModel(const Shader& shader);
    // 析构函数
    ~RectangleModel();
    
    // 绘制矩形
    void draw();

private:
    unsigned int VAO;
    unsigned int VBO;
    unsigned int EBO;
    Shader shader;
    
    // 着色器程序
    unsigned int shaderProgram;
    // 纹理
    std::vector<unsigned int>texture;
    
    
    // 编译着色器
    void compileShaders();
    // 设置缓冲区
    void setElements();
    // 加载纹理
    void loadTexture();
    // 绑定纹理
    void bindTexture(GLuint& textured, const char* path);
};

RectangleModel.cpp

#include "RectangleModel.h"
#include <iostream>
#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image.h"

using std::cout;
using std::endl;

// 构造函数
RectangleModel::RectangleModel(const Shader& shader) : shader(shader) {
    // 加载纹理
    loadTexture();
    // 设置缓冲区
    setElements();
}

// 析构函数
RectangleModel::~RectangleModel() {
    // 删除VAO
    glDeleteVertexArrays(1, &this->VAO);
    // 删除VBO
    glDeleteBuffers(1, &this->VBO);
    // 删除EBO
    glDeleteBuffers(1, &this->EBO);
}

/// public
// 绘制矩形
void RectangleModel::draw() {
    // 使用着色器程序
    this->shader.use();
    // 绑定VAO
    glBindVertexArray(VAO);

    // 获取当前时间
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    // 计算毫秒数
    auto duration = now.time_since_epoch();
    double milliseconds = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(duration).count();
    // 计算混合比例
    float blendRatio = 0.5f * (std::sin(milliseconds / 1000.0) + 1.0f);
    // 设置uniform变量
    shader.setFloat("blendRatio", blendRatio);

    // 绘制矩形，即绘制两个三角形，GL_UNSIGNED_INT表示索引数组中的每个元素都是一个无符号整数
    // 六个矩形
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_INT, 0);
}

/// private
void RectangleModel::setElements() {
    float vertices[] = {
        // 矩形1
        -0.9f, -0.9f, 0.0f, 0.0f,
        -0.5f, -0.9f, 1.0f, 0.0f,
        -0.9f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,

        // 矩形2
        -0.4f, -0.9f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, -0.9f, 1.0f, 0.0f,
        -0.4f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,

        // 矩形3
        0.1f, -0.9f, 0.0f, 0.0f,
        0.5f, -0.9f, 1.0f, 0.0f,
        0.1f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
        0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,

        // 矩形4
        -0.9f, 0.1f, 0.0f, 0.0f,
        -0.5f, 0.1f, 1.0f, 0.0f,
        -0.9f, 0.5f, 0.0f, 1.0f,
        -0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f,

        // 矩形5
        -0.4f, 0.1f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, 0.1f, 1.0f, 0.0f,
        -0.4f, 0.5f, 0.0f, 1.0f,
        0.0f, 0.5f, 1.0f, 1.0f,

        // 矩形6
        0.1f, 0.1f, 0.0f, 0.0f,
        0.5f, 0.1f, 1.0f, 0.0f,
        0.1f, 0.5f, 0.0f, 1.0f,
        0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f
    };
    // 索引数据
    int indices[] = {
        // 矩形 1
        0, 1, 2,
        1, 2, 3,

        // 矩形 2
        4, 5, 6,
        5, 6, 7,

        // 矩形 3
        8, 9, 10,
        9, 10, 11,

        // 矩形 4
        12, 13, 14,
        13, 14, 15,

        // 矩形5
        16, 17, 18,
        17, 18, 19,

        // 矩形6
        20, 21, 22,
        21, 22, 23
    };

    // 生成一个VAO
    glGenVertexArrays(1, &this->VAO);
    // 绑定VAO，使其成为当前操作的VAO
    glBindVertexArray(this->VAO);
    // 生成一个VBO
    glGenBuffers(1, &this->VBO);
    // 绑定VBO, 使其成为当前操作的VBO，GL_ARRAY_BUFFER表示顶点缓冲区
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this->VBO);
    // 为当前绑定的VBO创建并初始化数据存储，GL_STATIC_DRAW表示数据将一次性提供给缓冲区，并且在之后的绘制过程中不会频繁更改
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
    // 生成一个EBO
    glGenBuffers(1, &this->EBO);
    // 绑定EBO，使其成为当前操作的EBO
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
    // 传递索引数据
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

    // 定义顶点属性的布局
    // - index：顶点属性的索引
    // - size：每个顶点属性的数量
    // - type：数据类型
    // - normalized：是否将非浮点数值归一化
    // - stride：连续顶点属性之间的间隔
    // - pointer：数据在缓冲区中的偏移量
    // 设置顶点属性指针，位置属性
    glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * sizeof(float), (void*)0);
    // 启用顶点属性
    glEnableVertexAttribArray(0);
    // 设置顶点属性指针，颜色属性
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * sizeof(float), (void*)(2 * sizeof(float)));
    // 启用顶点属性
    glEnableVertexAttribArray(1);
}

// 加载纹理
void RectangleModel::loadTexture() {
    std::vector<std::string> path = { "teenager.png", "tex.png" };
    texture.resize(path.size());
    for (int i = 0; i < path.size(); i++) {
        bindTexture(texture[i], path[i].c_str());
    }
    // 参数传入指定要激活的纹理单元，例如GL_TEXTURE0/1/*
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[1]);

    // 使用着色器程序
    shader.use();
    // 设置uniform变量
    shader.setInt("texture0", 0);
    shader.setInt("texture1", 1);
}

// 绑定纹理
void RectangleModel::bindTexture(GLuint& textureId, const char* path) {
    glGenTextures(1, &textureId);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
    // 设置纹理环绕和过滤方式
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    // 加载并生成纹理
    stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
    int width, height, nrChannels;
    unsigned char* data = stbi_load(path, &width, &height, &nrChannels, 0);
    if (data) {
        GLenum format;
        if (nrChannels == 4)
            format = GL_RGBA;
        else if (nrChannels == 3)
            format = GL_RGB;
        else
            format = GL_RED;

        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, format, width, height, 0, format, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
        glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    }
    else {
        std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
    }
    stbi_image_free(data);
}

main.cpp

#include "utils/RectangleModel.h"
#include "utils/windowFactory.h"

int main() {
    // 创建一个窗口Factory对象
    GLFWWindowFactory myWindow(800, 600, "This is Title");
    // 创建一个着色器对象
    Shader shader("shader.vs", "shader.fs");
    // 创建一个矩形模型对象
    RectangleModel rectangle(shader);
    
    // 运行窗口，传入一个lambda表达式，用于自定义渲染逻辑
    myWindow.run([&]() {
        // 绘制矩形
        rectangle.draw();
    });
    
    return 0;
}

CMakeLists.txt

# 设置CMake的最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
# 设置项目名称
project(Shader)

# vcpkg集成, 这里要换成你自己的vcpkg工具链文件和共享库路径
set(VCPKG_ROOT D:/software6/vcpkg/)
set(CMAKE_TOOLCHAIN_FILE ${VCPKG_ROOT}/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake)
set(CMAKE_PREFIX_PATH ${VCPKG_ROOT}/installed/x64-mingw-static/share)

# 查找所需的包
find_package(glad CONFIG REQUIRED)
find_package(glfw3 CONFIG REQUIRED)
find_package(glm CONFIG REQUIRED)

# 搜索并收集utils文件夹下的所有源文件
file(GLOB UTILS "utils/*.cpp", "utils/*.h")

# 添加可执行文件（还要加入utils文件夹下的源文件）
add_executable(Shader main.cpp ${UTILS})

# 链接所需的库
target_link_libraries(Shader PRIVATE glad::glad glfw glm::glm)

# 检查项目是否有dependeicies目录，如果存在，则在使用add_custom_command命令在构建后将dependencies目录中的文件复制到项目的输出目录
set(SOURCE_DIR "${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/dependencies")
if(EXISTS ${SOURCE_DIR})
    add_custom_command(TARGET Shader POST_BUILD
        COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory
        ${SOURCE_DIR} $<TARGET_FILE_DIR:Shader>)
endif()

最终效果