在QT中使用OpenGL

参考资料：

主页 - LearnOpenGL CN

https://blog.csdn.net/qq_40120946/category_12566573.html

由于OpenGL的大多数实现都是由显卡厂商编写的，当产生一个bug时通常可以通过升级显卡驱动来解决。

OpenGL中的名词解释

OpenGL 上下文（Context）

  • 作用：

    • OpenGL上下文就像是一个画家的工具箱，它包含了所有当前可用的工具（如画笔、颜料、画布等），它存储了OpenGL的所有状态（如当前颜色、线条粗细、是否启用混合等）。

    • 每个窗口/线程通常有一个独立的上下文，每个上下文是独立的，就像一个“沙盒”，不同上下文的资源默认不共享（除非显式设置共享）。

    • 上下文必须绑定到某个“窗口”或“绘图表面”（如HWND、QOpenGLWidget等），才能进行渲染。

为什么需要多个上下文？

多线程渲染（每个线程通常需要一个独立的上下文）。

不同窗口可能需要不同的OpenGL版本（如一个用OpenGL 2.1，另一个用OpenGL 4.6）。

  • 例子：

    • 如果你有两个画家（两个OpenGL上下文），他们各自有自己的画笔和颜料，互不影响。

    • 当你切换上下文（比如从窗口A切换到窗口B），就像换了一个画家，他用的工具和之前的不一样。

OpenGL 状态机（State Machine）

OpenGL状态机决定了当前如何绘制图形，它由一系列可开关的设置组成，就像画家的当前工作模式。

  • 作用：

    • 控制OpenGL的绘制行为，比如：

      • 当前颜色（glColor3f(1.0, 0.0, 0.0) → 红色）

      • 是否启用深度测试（glEnable(GL_DEPTH_TEST)）

      • 当前绑定的纹理（glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId)）

    • 这些状态会一直保持，直到你手动改变它们。

  • 例子：

    • 画家当前选择的是红色颜料（glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)），那么接下来他画的所有东西都是红色，直到他换颜色。

    • 画家决定是否使用尺子（glEnable(GL_LINE_SMOOTH)），如果启用，画线会更平滑。

OpenGL (ObjectID)

对象ID（如VAO、VBO、Texture的ID）就像是工具箱里的每件工具的编号。

  • 作用：

    • OpenGL管理的资源（如缓冲区、纹理、着色器）都有一个唯一的GLuint类型的ID。

    • 你需要绑定（Bind）这些ID到OpenGL的某个目标（Target），才能使用它们。

  • 例子：

    • 画家有3支画笔（3个VBO），编号分别是1、2、3。

    • 他必须拿起某支笔（glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId)）才能用它画画。

    • 如果他不绑定任何笔（glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)），就没法画。

着色器 —— 着色器 - LearnOpenGL CN

顶点着色器

核心作用：处理每个顶点的坐标变换和属性计算。

  • 坐标变换：将输入的顶点坐标（如模型空间坐标）转换为裁剪空间坐标（Clip Space），这是透视投影和视口变换的基础。
  • 属性传递：处理顶点属性（如位置、法线、纹理坐标、颜色），并将处理后的数据传递给后续阶段（如几何着色器或片段着色器）。
  • 应用场景：
    • 实现模型的位移、旋转、缩放（通过矩阵变换）。
    • 计算顶点光照效果的初始值（如法线变换）。
    • 实现顶点动画（如骨骼动画、波浪效果）。

特点：

  • 对每个顶点执行一次，并行计算效率高。
  • 必须输出裁剪空间坐标（gl_Position）。

// 顶点着色器示例（简化）
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPosition;  // 顶点位置
layout (location = 1) in vec3 aColor;     // 顶点颜色
out vec3 vColor;                          // 传递给片段着色器的颜色

uniform mat4 model;       // 模型矩阵
uniform mat4 view;        // 视图矩阵
uniform mat4 projection;  // 投影矩阵

void main() {
    // 坐标变换：模型空间 → 世界空间 → 视图空间 → 裁剪空间
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPosition, 1.0);
    vColor = aColor;      // 传递颜色属性
}

片段着色器

核心作用：计算每个片段（Fragment，可理解为潜在像素）的最终颜色。

  • 颜色计算：基于插值后的顶点属性（如颜色、纹理坐标）和外部数据（如光照、材质、纹理），计算像素的 RGBA 值。
  • 高级效果：实现光照模型（如 Phong、PBR）、阴影、纹理采样、透明度、后处理（如模糊、色调调整）。
  • 应用场景：
    • 渲染物体材质和纹理。
    • 实现光照、反射、折射效果。
    • 创建特效（如雾效、发光、粒子）。

特点：

  • 对每个光栅化后的片段执行一次，计算量通常比顶点着色器大。
  • 必须输出一个颜色值（out vec4 FragColor）。

#version 330 core
in vec3 vColor;           // 从顶点着色器接收的颜色
out vec4 FragColor;       // 输出的最终颜色

void main() {
    // 直接使用插值后的颜色
    FragColor = vec4(vColor, 1.0);
}

VBO（Vertex Buffer Object）—— 顶点缓冲区对象

VBO 是OpenGL中用于存储顶点数据（如位置、颜色、纹理坐标等）的缓冲区对象。它直接在GPU内存中分配空间，避免CPU到GPU的重复数据传输，提高渲染效率。

作用

  • 存储顶点属性数据（例如：float vertices[] = {x1,y1,z1, x2,y2,z2, ...}）。

  • 通过glBindBuffer绑定后，OpenGL才知道从哪里读取数据。

类比

  • VBO = 颜料管

    • 每个颜料管（VBO）存储一种原始数据（如红色颜料管、蓝色颜料管）。

    • 颜料管本身不知道如何被使用，只是数据的容器。

VAO（Vertex Array Object）—— 顶点数组对象

VAO 是一个“配置容器”，用于记录：

  • 当前绑定的VBO。

  • 顶点属性的解析方式（如位置是3个float，颜色是4个float等）。

  • 顶点属性的启用状态（通过glEnableVertexAttribArray）。

作用

  • 避免重复配置：每次绘制时无需重新绑定VBO和设置属性格式。

  • 提高性能：OpenGL可以直接读取预定义的顶点数据布局。

类比

  • VAO = 调色板（或画笔套装）

    • 调色板（VAO）记录了：

      • 哪些颜料管（VBO）被挤到调色板上。

      • 每种颜料的用途（如红色用于轮廓，蓝色用于填充）。

    • 画家（OpenGL）拿起调色板后，直接知道如何作画。

VBO 和 VAO 的联系与区别

联系

  1. VAO 依赖 VBO

    • VAO本身不存储顶点数据，它只是记录“如何从VBO中读取数据”。

    • 必须先绑定VBO，再配置VAO（就像先挤颜料到调色板，再定义用途）。

区别

特性VBOVAO
存储内容原始顶点数据（如位置、颜色）顶点属性的配置（如何读数据）
是否直接参与绘制是（数据源）否（只是数据格式的封装）
绑定目标GL_ARRAY_BUFFER无目标（直接绑定）
性能优化减少CPU-GPU数据传输减少绘制时的状态切换开销

一个VAO绑定多个VBO吗？——可以

VAO可以关联多个VBO（例如：一个VBO存位置，另一个存颜色）。
只需在绑定VAO后，依次绑定不同VBO并配置属性：

glBindVertexArray(vaoId);
// 绑定位置VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboPos);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);
// 绑定颜色VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboColor);
glVertexAttribPointer(1, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);

基础光照

环境光照(Ambient Lighting)：

即使在黑暗的情况下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、远处的光），所以物体几乎永远不会是完全黑暗的。为了模拟这个，我们会使用一个环境光照常量，它永远会给物体一些颜色。

漫反射光照(Diffuse Lighting)：

模拟光源对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是风氏光照模型中视觉上最显著的分量。物体的某一部分越是正对着光源，它就会越亮。

镜面光照(Specular Lighting)：

模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色会更倾向于光的颜色。

法向量

法向量是一个垂直于顶点表面的（单位）向量。由于顶点本身并没有表面（它只是空间中一个独立的点），我们利用它周围的顶点来计算出这个顶点的表面。我们能够使用一个小技巧，使用叉乘对立方体所有的顶点计算法向量，但是由于3D立方体不是一个复杂的形状，所以我们可以简单地把法线数据手工添加到顶点数据中。更新后的顶点数据数组可以在这里找到。试着去想象一下，这些法向量真的是垂直于立方体各个平面的表面的（一个立方体由6个平面组成）。

计算漫反射光照需要什么？

  • 法向量：一个垂直于顶点表面的向量。
  • 定向的光线：作为光源的位置与片段的位置之间向量差的方向向量。为了计算这个光线，我们需要光的位置向量和片段的位置向量。

OpenGL 图形渲染管线全流程解析

OpenGL 状态机与对象管理基础
  • 状态机特性：OpenGL 通过上下文（Context）维护运行状态，通过设置选项、操作缓冲修改状态，以当前上下文执行渲染。
  • 对象引用机制：对象通过整数 ID（objectId）绑定至上下文目标位置，存储选项配置，避免重复设置（如模型数据绑定）。
阶段像素位置相关像素颜色相关
顶点着色器转换 3D 坐标至裁剪空间，为投影做准备处理顶点颜色等属性（可传递给片段着色器）
几何着色器（可选）修改图元形状（如生成更多顶点）可输出顶点颜色属性
图元装配定义几何形状的轮廓无直接颜色处理
光栅化确定像素的屏幕坐标（x, y）传递片段位置给片段着色器
片段着色器无直接位置处理计算像素的 RGBA 颜色值
Alpha 测试与混合基于深度判断像素可见性混合颜色值，确定最终显示的颜色

数据流：

一、像素位置的确定：3D 到 2D 坐标转换与光栅化阶段

1. 顶点着色器（Vertex Shader）：初步坐标变换
  • 作用：将输入的 3D 顶点坐标（如模型本地坐标）转换为裁剪空间坐标（Clip Space），并完成顶点属性（如位置、法线）的基础处理。
  • 与像素位置的关系：此阶段将顶点从模型空间映射到裁剪空间，为后续投影到 2D 屏幕做准备，但尚未直接确定像素位置。
2. 图元装配（Primitive Assembly）：几何形状定义
  • 作用：将顶点按指定图元类型（如三角形、线段）装配成几何形状，确定渲染的基本单元（如一个三角形由 3 个顶点组成）。
  • 与像素位置的关系：明确了 3D 空间中几何图形的轮廓，但仍处于抽象的几何阶段。
3. 光栅化（Rasterization）：像素位置生成
  • 作用：将图元（如三角形）映射到屏幕的 2D 像素网格，计算每个图元覆盖的像素坐标，并生成对应的片段（Fragment）。
  • 关键细节：
    • 此阶段通过插值计算图元在屏幕上的覆盖范围，确定每个像素的位置（x, y 坐标）。
    • 裁切（Clipping）会丢弃视图外的像素，减少无效计算。
  • 结论：光栅化阶段直接确定了像素的屏幕位置。

二、像素颜色的计算：片段处理与最终输出阶段

1. 片段着色器（Fragment Shader）：颜色值计算
  • 作用：接收光栅化生成的片段（包含位置、纹理坐标等信息），结合 3D 场景数据（如光照、阴影、材质属性、纹理采样），计算每个像素的最终颜色值（RGBA）。
  • 关键细节：
    • 可通过光照模型（如兰伯特、Phong）计算光照对颜色的影响。
    • 支持纹理采样，将纹理贴图的颜色映射到像素。
  • 结论：片段着色器是像素颜色计算的核心阶段。
2. Alpha 测试与混合（Alpha Test & Blending）：颜色最终确定
  • 作用：
    • 深度测试：比较当前片段与已渲染像素的深度值，决定是否保留当前像素（近物覆盖远物）。
    • Alpha 混合：根据透明度（Alpha 值）混合当前像素与背景像素的颜色，实现半透明效果（如玻璃、烟雾）。
  • 与颜色的关系：此阶段不直接计算颜色，而是基于深度和 Alpha 值对片段着色器输出的颜色进行筛选或混合，最终确定屏幕上显示的像素颜色。
    图形渲染管线核心流程拆解

    1. 3D 到 2D 坐标转换阶段

      • 顶点着色器（Vertex Shader）：输入单个顶点，将 3D 坐标转换为特定空间坐标（如裁剪空间），并处理顶点属性（如位置、颜色）。
      • 几何着色器（Geometry Shader）（可选）：输入顶点组（图元），通过生成新顶点扩展或修改图元形状（如从单个三角形生成两个三角形）。

    2. 图元装配与光栅化阶段

      • 图元装配（Primitive Assembly）：将顶点按指定图元类型（如三角形、点）装配为几何形状，确定渲染基本单元。
      • 光栅化（Rasterization）：将图元映射为屏幕像素，生成片段（Fragment）；裁切（Clipping）丢弃视图外像素，提升效率。

    3. 片段处理与最终输出阶段

      • 片段着色器（Fragment Shader）：计算像素最终颜色，结合 3D 场景数据（光照、阴影、材质等）生成颜色值。
      • Alpha 测试与混合（Alpha Test & Blending）：通过深度 / 模板测试判断像素可见性，基于 Alpha 值实现透明度混合，确定最终渲染结果。
    管线核心逻辑总结

    “状态机管理对象状态 → 管线各阶段逐级处理顶点与图元 → 从 3D 坐标映射至 2D 像素并渲染”，这一流程构成了 OpenGL 将几何数据转化为屏幕图像的完整技术链路。

    完整OpenGL绘图流程

    OpenGL步骤Qt (QOpenGLWidget)画家类比
    1. 初始化OpenGL上下文

    QOpenGLWidget 构造函数自动创建OpenGL上下文

    initializeOpenGLFunctions()加载OpenGL函数，初始化Qt的OpenGL函数绑定

    		画家准备好画布、工具箱（上下文=工具箱+画布）。
    2. 定义顶点数据在initializeGL()中定义数组（如float vertices[]）画家决定画什么（如“画一个三角形，左下红、右下绿、顶部蓝”）。
    3. 创建VBOglGenBuffers() + glBufferData() 在initializeGL()中完成把颜料挤到调色盘上（VBO=颜料管，存储原始颜色和位置数据）。
    4. 创建VAOglGenVertexArrays() + 配置属性（glVertexAttribPointer）在initializeGL()中完成

    调色盘（VAO）记录：

    - 红色颜料用于轮廓

    - 蓝色颜料用于填充。

    5. 清空屏幕在paintGL()中调用 glClear()画家擦干净画布
    6. 绑定VAO在paintGL()中调用 glBindVertexArray(VAO)画家拿起调色盘（绑定VAO后，OpenGL知道如何读取VBO数据）。
    7. 绘制调用在paintGL()中调用 glDrawArrays()画家用调色盘上的颜料开始作画
    8. 解绑VAO可调用 glBindVertexArray(0)，但Qt通常省略画家放下调色盘
    9.调整画布大小重写 resizeGL(int w, int h)，自动调用画家根据画布大小调整画笔范围。

    10.清理资源

    		QOpenGLWidget 析构函数自动释放VAO/VBO画家收工，清理调色盘和颜料。

     原生OpenGL对比Qt绘图流程关键区别总结

    特性Qt (QOpenGLWidget)原生OpenGL (GLFW)
    上下文管理自动创建和管理OpenGL上下文需手动初始化（如GLFW/GLEW）
    窗口集成直接嵌入Qt窗口体系需手动处理窗口事件（如GLFW）
    函数调用通过 QOpenGLFunctions 调用OpenGL API直接调用OpenGL API（如 glDrawArrays）
    生命周期自动调用 initializeGL()、paintGL()需手动编写渲染循环
    适用场景Qt应用程序中嵌入3D绘图跨平台游戏/独立图形应用

    Qt 的 QOpenGLWidget 绘图完整代码——制一个三色三角形

    1.1 创建自定义 QOpenGLWidget 子类
    // MyGLWidget.h
#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLFunctions>class MyGLWidget : public QOpenGLWidget, protected QOpenGLFunctions {
public:MyGLWidget(QWidget* parent = nullptr) : QOpenGLWidget(parent) {}protected:void initializeGL() override;  // 初始化OpenGLvoid paintGL() override;       // 绘制void resizeGL(int w, int h) override; // 窗口大小变化时调整private:GLuint VAO, VBO;  // OpenGL对象
};
    1.2 实现 initializeGL（初始化阶段）
    // MyGLWidget.cpp
void MyGLWidget::initializeGL() {initializeOpenGLFunctions();  // 初始化Qt的OpenGL函数绑定// 定义顶点数据（位置 + 颜色）float vertices[] = {// 位置          // 颜色-0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左下（红）0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右下（绿）0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f  // 顶部（蓝）};// 创建并绑定VBOglGenBuffers(1, &VBO);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);// 创建并绑定VAOglGenVertexArrays(1, &VAO);glBindVertexArray(VAO);// 配置位置属性（前3个float）glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);glEnableVertexAttribArray(0);// 配置颜色属性（后3个float，偏移量=3*sizeof(float)）glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));glEnableVertexAttribArray(1);// 解绑（非必须，但安全）glBindVertexArray(0);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
    1.3 实现 paintGL（渲染阶段）
    void MyGLWidget::paintGL() {glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);  // 设置清屏颜色（深绿色）glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);          // 清空颜色缓冲glBindVertexArray(VAO);                // 绑定VAO（自动关联VBO和属性）glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);      // 绘制三角形
}
    1.4 实现 resizeGL（窗口调整）
    void MyGLWidget::resizeGL(int w, int h) {glViewport(0, 0, w, h);  // 调整视口大小
}
    1.5 在Qt窗口中使用 MyGLWidget
    // main.cpp
#include <QApplication>
#include "MyGLWidget.h"int main(int argc, char** argv) {QApplication app(argc, argv);MyGLWidget widget;widget.show();return app.exec();
}

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