Xcode与C++之游戏开发：OpenGL

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SDL 渲染器支持 2D 图形，但是不支持 3D 图形。为了同时支持 2D 和 3D，这里使用了著名的 OpenGL。

OpenGL 介绍

OpenGL（Open Graphics Library）是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像（二维的亦可），是一个功能强大，调用方便的底层图形库。底层图形库提供的接口用于渲染二维或者三维图形，可以说这些接口架起了上层应用程序和底层 GPU 之间的桥梁。应用程序使用这些接口发送渲染命令，而这些接口会向显卡驱动发送渲染命令。

切换到 OpenGL

在前面的章节里，使用的是 SDL_Renderer，现在要换成 OpenGL，就要把它移除掉了。在 Game.cpp 的实现中把原本的标志位 0 换成 OpenGL：

    // 创建 SDL 窗体
    mWindow = SDL_CreateWindow(
                               "OpenGL",       // 标题
                               100,               // 窗体左上角的 x 坐标
                               100,               // 窗体左上角的 y 坐标
                               1024,              // 窗体宽度
                               768,               // 窗体高度
                               SDL_WINDOW_OPENGL  // OpenGL
                               );

在创建 OpenGL 窗口之前，可以设置 OpenGL 相关的一些属性，比如色彩深度，版本等。要配置这些参数可以使用 SDL_GL_SetAttribute：

    // 设置 OpenGL 参数
    // core OpenGL
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_CONTEXT_PROFILE_MASK, SDL_GL_CONTEXT_PROFILE_CORE);
    // 指定版本 3.3
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_CONTEXT_MAJOR_VERSION, 3);
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_CONTEXT_MINOR_VERSION, 3);
    // RGBA
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_RED_SIZE, 8);
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_GREEN_SIZE, 8);
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_BLUE_SIZE, 8);
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_ALPHA_SIZE, 8);
    // 双缓冲
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_DOUBLEBUFFER, 1);
    // 强制使用硬件加速
    SDL_GL_SetAttribute(SDL_GL_ACCELERATED_VISUAL, 1);

将之后的 SDL_Renderer 创建部分删除。接下来就是创建一个 OpenGL 上下文（context），可以把 context 理解成 OpenGL 世界。

添加一个成员变量到 Game 中：

SDL_GLContext mContext;

并在 Initialize 中进行初始化：

mContext = SDL_GL_CreateContext(mWindow);

有了 Create 自然需要有销毁，在 Shutdown 函数里添加析构，通用声明顺序和析取顺序相反，应该在 SDL_DeleteWindow 之前添加：

void Game::Shutdown()
{
   
    UnloadData();
    IMG_Quit();
    SDL_GL_DeleteContext(mContext);
    SDL_DestroyWindow(mWindow);
    SDL_Quit();
}

现在已经创建好了 OpenGL 的上下文，但还有一个问题。OpenGL 为了保持后向兼容，需要手动使用扩展才能使用 OpenGL 3.3。为了避免这个繁琐的过程，不妨使用 GLEW 库（OpenGL Extension Wrangler Library）。这样的话只要一个函数调用就可以获得支持的所有扩展功能，包括3.3 版本之前的功能。

GLEW 用起来还是挺方便的，就是去 GLEW官网 下载源文件，之后解压，一个 make 就自动编译了。使用 GLEW 的方式和之前添加 SDL 库一样了，添加库依赖，在 Build Settings 中加上头文件的路径。

要初始化 GLEW，可以添加下面的代码到创建 context 之后：

    glewExperimental = GL_TRUE;
    if (glewInit() != GLEW_OK)
    {
   
        SDL_Log("初始化 GLEW 失败！");
        return false;
    }

渲染一帧

渲染的原理和之前的 SDL 还是一样的，清除、绘制、交换缓冲区，使用 OpenGL 本质上就是换了个渲染器：

void Game::GenerateOutput()
{
   
    // 灰色
    glClearColor(0.86f, 0.86f, 0.86f, 1.0f);
    // 清除颜色缓冲区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    
    // TODO: 绘制场景
    
    // 交换缓冲区
    SDL_GL_SwapWindow(mWindow);
}

需要添加系统自带的 OpenGL 库。

正常来讲，应该就可以看到一个灰色背景的 OpenGL 环境了，这也意味着我们把渲染器换成了 OpenGL 了。

渲染基础

2D 图形和 3D 图形其实没什么区别，因为本质上 3D 图形也是 2D图形，只不过它是被压平到了 2D 屏幕上。早期的一些 2D 游戏，比如说任天堂，会简单的把画面图像复制到颜色缓冲区，这个过程被称为 blitting（印迹）。然而，现在的硬件并不擅长干这种事情，但是在多边形渲染上却非常高效。因此，可以说现在所有的游戏，无论是 2D 还是 3D，最终都是用多边形来满足图形需求。

最简单的多边形是三角形，这是现在游戏最终的底层基础（四边形可以分解成两个三角形，五边形可以分解为3个三角形…）。多边形不仅计算简单，可以具有很好的伸缩性，如果设备性能不行，那么三角形绘制得少一些，这个技术也就是所谓的 HLOD（分层 LOD）。

规范化的设备坐标

NDC（Normalized device coordinates ）是 OpenGL 默认的坐标系统。窗口的中心是坐标原点，左下角是 (-1,-1)，右上角是 (1,1)。这个规范化的坐标体系与屏幕的实际高度和宽度无关。在渲染过程中，GPU（准确来说是图形硬件）会把 NDC 的坐标转为实际的像素位置。

在 3D 中，z 坐标分量范围也是从 -1 到 +1，正轴朝向屏幕内部。对于 2D，显然 z 分量为 0。

顶点和索引缓冲

如果有一个由三角形组成的 3D 模型，需要通过某种方式在内存中存储这些三角形的顶点。最简单粗暴就是直接存顶点，比如这样：

float vertices[] = {
   
    -0.5f,  0.5f, 0.0f,    
    0.5f,  0.5f, 0.0f