在QT中使用OpenGL

參考資料：

主頁 - LearnOpenGL CN

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

由于OpenGL的大多數實現都是由顯卡廠商編寫的，當產生一個bug時通常可以通過升級顯卡驅動來解決。

OpenGL中的名詞解釋

OpenGL 上下文（Context）

  • 作用：

    • OpenGL上下文就像是一個畫家的工具箱，它包含了所有當前可用的工具（如畫筆、顏料、畫布等），它存儲了OpenGL的所有狀態（如當前顏色、線條粗細、是否啟用混合等）。

    • 每個窗口/線程通常有一個獨立的上下文，每個上下文是獨立的，就像一個“沙盒”，不同上下文的資源默認不共享（除非顯式設置共享）。

    • 上下文必須綁定到某個“窗口”或“繪圖表面”（如HWND、QOpenGLWidget等），才能進行渲染。

為什么需要多個上下文？

多線程渲染（每個線程通常需要一個獨立的上下文）。

不同窗口可能需要不同的OpenGL版本（如一個用OpenGL 2.1，另一個用OpenGL 4.6）。

  • 例子：

    • 如果你有兩個畫家（兩個OpenGL上下文），他們各自有自己的畫筆和顏料，互不影響。

    • 當你切換上下文（比如從窗口A切換到窗口B），就像換了一個畫家，他用的工具和之前的不一樣。

OpenGL 狀態機（State Machine）

OpenGL狀態機決定了當前如何繪制圖形，它由一系列可開關的設置組成，就像畫家的當前工作模式。

  • 作用：

    • 控制OpenGL的繪制行為，比如：

      • 當前顏色（glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)?→ 紅色）

      • 是否啟用深度測試（glEnable(GL_DEPTH_TEST)）

      • 當前綁定的紋理（glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId)）

    • 這些狀態會一直保持，直到你手動改變它們。

  • 例子：

    • 畫家當前選擇的是紅色顏料（glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)），那么接下來他畫的所有東西都是紅色，直到他換顏色。

    • 畫家決定是否使用尺子（glEnable(GL_LINE_SMOOTH)），如果啟用，畫線會更平滑。

OpenGL (ObjectID)

對象ID（如VAO、VBO、Texture的ID）就像是工具箱里的每件工具的編號。

  • 作用：

    • OpenGL管理的資源（如緩沖區、紋理、著色器）都有一個唯一的GLuint類型的ID。

    • 你需要綁定（Bind）這些ID到OpenGL的某個目標（Target），才能使用它們。

  • 例子：

    • 畫家有3支畫筆（3個VBO），編號分別是1、2、3。

    • 他必須拿起某支筆（glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId)）才能用它畫畫。

    • 如果他不綁定任何筆（glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)），就沒法畫。

著色器 ——?著色器 - LearnOpenGL CN

頂點著色器

核心作用：處理每個頂點的坐標變換和屬性計算。

  • 坐標變換：將輸入的頂點坐標（如模型空間坐標）轉換為裁剪空間坐標（Clip Space），這是透視投影和視口變換的基礎。
  • 屬性傳遞：處理頂點屬性（如位置、法線、紋理坐標、顏色），并將處理后的數據傳遞給后續階段（如幾何著色器或片段著色器）。
  • 應用場景：
    • 實現模型的位移、旋轉、縮放（通過矩陣變換）。
    • 計算頂點光照效果的初始值（如法線變換）。
    • 實現頂點動畫（如骨骼動畫、波浪效果）。

特點：

  • 對每個頂點執行一次，并行計算效率高。
  • 必須輸出裁剪空間坐標（gl_Position）。

// 頂點著色器示例（簡化）
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPosition; ?// 頂點位置
layout (location = 1) in vec3 aColor; ? ? // 頂點顏色
out vec3 vColor; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 傳遞給片段著色器的顏色

uniform mat4 model; ? ? ? // 模型矩陣
uniform mat4 view; ? ? ? ?// 視圖矩陣
uniform mat4 projection; ?// 投影矩陣

void main() {
? ? // 坐標變換：模型空間 → 世界空間 → 視圖空間 → 裁剪空間
? ? gl_Position = projection * view * model * vec4(aPosition, 1.0);
? ? vColor = aColor; ? ? ?// 傳遞顏色屬性
}

片段著色器

核心作用：計算每個片段（Fragment，可理解為潛在像素）的最終顏色。

  • 顏色計算：基于插值后的頂點屬性（如顏色、紋理坐標）和外部數據（如光照、材質、紋理），計算像素的 RGBA 值。
  • 高級效果：實現光照模型（如 Phong、PBR）、陰影、紋理采樣、透明度、后處理（如模糊、色調調整）。
  • 應用場景：
    • 渲染物體材質和紋理。
    • 實現光照、反射、折射效果。
    • 創建特效（如霧效、發光、粒子）。

特點：

  • 對每個光柵化后的片段執行一次，計算量通常比頂點著色器大。
  • 必須輸出一個顏色值（out vec4 FragColor）。

#version 330 core
in vec3 vColor; ? ? ? ? ? // 從頂點著色器接收的顏色
out vec4 FragColor; ? ? ? // 輸出的最終顏色

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

VBO（Vertex Buffer Object）—— 頂點緩沖區對象

VBO?是OpenGL中用于存儲頂點數據（如位置、顏色、紋理坐標等）的緩沖區對象。它直接在GPU內存中分配空間，避免CPU到GPU的重復數據傳輸，提高渲染效率。

作用

  • 存儲頂點屬性數據（例如：float vertices[] = {x1,y1,z1, x2,y2,z2, ...}）。

  • 通過glBindBuffer綁定后，OpenGL才知道從哪里讀取數據。

類比

  • VBO = 顏料管

    • 每個顏料管（VBO）存儲一種原始數據（如紅色顏料管、藍色顏料管）。

    • 顏料管本身不知道如何被使用，只是數據的容器。

VAO（Vertex Array Object）—— 頂點數組對象

VAO?是一個“配置容器”，用于記錄：

  • 當前綁定的VBO。

  • 頂點屬性的解析方式（如位置是3個float，顏色是4個float等）。

  • 頂點屬性的啟用狀態（通過glEnableVertexAttribArray）。

作用

  • 避免重復配置：每次繪制時無需重新綁定VBO和設置屬性格式。

  • 提高性能：OpenGL可以直接讀取預定義的頂點數據布局。

類比

  • VAO = 調色板（或畫筆套裝）

    • 調色板（VAO）記錄了：

      • 哪些顏料管（VBO）被擠到調色板上。

      • 每種顏料的用途（如紅色用于輪廓，藍色用于填充）。

    • 畫家（OpenGL）拿起調色板后，直接知道如何作畫。

VBO 和 VAO 的聯系與區別

聯系

  1. VAO 依賴 VBO

    • VAO本身不存儲頂點數據，它只是記錄“如何從VBO中讀取數據”。

    • 必須先綁定VBO，再配置VAO（就像先擠顏料到調色板，再定義用途）。

區別

特性VBOVAO
存儲內容原始頂點數據（如位置、顏色）頂點屬性的配置（如何讀數據）
是否直接參與繪制是（數據源）否（只是數據格式的封裝）
綁定目標GL_ARRAY_BUFFER無目標（直接綁定）
性能優化減少CPU-GPU數據傳輸減少繪制時的狀態切換開銷

一個VAO綁定多個VBO嗎？——可以

VAO可以關聯多個VBO（例如：一個VBO存位置，另一個存顏色）。
只需在綁定VAO后，依次綁定不同VBO并配置屬性：

glBindVertexArray(vaoId);
// 綁定位置VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboPos);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);
// 綁定顏色VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboColor);
glVertexAttribPointer(1, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL);

基礎光照

環境光照(Ambient Lighting)：

即使在黑暗的情況下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、遠處的光），所以物體幾乎永遠不會是完全黑暗的。為了模擬這個，我們會使用一個環境光照常量，它永遠會給物體一些顏色。

漫反射光照(Diffuse Lighting)：

模擬光源對物體的方向性影響(Directional Impact)。它是風氏光照模型中視覺上最顯著的分量。物體的某一部分越是正對著光源，它就會越亮。

鏡面光照(Specular Lighting)：

模擬有光澤物體上面出現的亮點。鏡面光照的顏色相比于物體的顏色會更傾向于光的顏色。

法向量

法向量是一個垂直于頂點表面的（單位）向量。由于頂點本身并沒有表面（它只是空間中一個獨立的點），我們利用它周圍的頂點來計算出這個頂點的表面。我們能夠使用一個小技巧，使用叉乘對立方體所有的頂點計算法向量，但是由于3D立方體不是一個復雜的形狀，所以我們可以簡單地把法線數據手工添加到頂點數據中。更新后的頂點數據數組可以在這里找到。試著去想象一下，這些法向量真的是垂直于立方體各個平面的表面的（一個立方體由6個平面組成）。

計算漫反射光照需要什么？

  • 法向量：一個垂直于頂點表面的向量。
  • 定向的光線：作為光源的位置與片段的位置之間向量差的方向向量。為了計算這個光線，我們需要光的位置向量和片段的位置向量。

OpenGL 圖形渲染管線全流程解析

OpenGL 狀態機與對象管理基礎
  • 狀態機特性：OpenGL 通過上下文（Context）維護運行狀態，通過設置選項、操作緩沖修改狀態，以當前上下文執行渲染。
  • 對象引用機制：對象通過整數 ID（objectId）綁定至上下文目標位置，存儲選項配置，避免重復設置（如模型數據綁定）。
階段像素位置相關像素顏色相關
頂點著色器轉換 3D 坐標至裁剪空間，為投影做準備處理頂點顏色等屬性（可傳遞給片段著色器）
幾何著色器（可選）修改圖元形狀（如生成更多頂點）可輸出頂點顏色屬性
圖元裝配定義幾何形狀的輪廓無直接顏色處理
光柵化確定像素的屏幕坐標（x, y）傳遞片段位置給片段著色器
片段著色器無直接位置處理計算像素的 RGBA 顏色值
Alpha 測試與混合基于深度判斷像素可見性混合顏色值，確定最終顯示的顏色

數據流：

一、像素位置的確定：3D 到 2D 坐標轉換與光柵化階段

1.?頂點著色器（Vertex Shader）：初步坐標變換
  • 作用：將輸入的 3D 頂點坐標（如模型本地坐標）轉換為裁剪空間坐標（Clip Space），并完成頂點屬性（如位置、法線）的基礎處理。
  • 與像素位置的關系：此階段將頂點從模型空間映射到裁剪空間，為后續投影到 2D 屏幕做準備，但尚未直接確定像素位置。
2.?圖元裝配（Primitive Assembly）：幾何形狀定義
  • 作用：將頂點按指定圖元類型（如三角形、線段）裝配成幾何形狀，確定渲染的基本單元（如一個三角形由 3 個頂點組成）。
  • 與像素位置的關系：明確了 3D 空間中幾何圖形的輪廓，但仍處于抽象的幾何階段。
3.?光柵化（Rasterization）：像素位置生成
  • 作用：將圖元（如三角形）映射到屏幕的 2D 像素網格，計算每個圖元覆蓋的像素坐標，并生成對應的片段（Fragment）。
  • 關鍵細節：
    • 此階段通過插值計算圖元在屏幕上的覆蓋范圍，確定每個像素的位置（x, y 坐標）。
    • 裁切（Clipping）會丟棄視圖外的像素，減少無效計算。
  • 結論：光柵化階段直接確定了像素的屏幕位置。

二、像素顏色的計算：片段處理與最終輸出階段

1.?片段著色器（Fragment Shader）：顏色值計算
  • 作用：接收光柵化生成的片段（包含位置、紋理坐標等信息），結合 3D 場景數據（如光照、陰影、材質屬性、紋理采樣），計算每個像素的最終顏色值（RGBA）。
  • 關鍵細節：
    • 可通過光照模型（如蘭伯特、Phong）計算光照對顏色的影響。
    • 支持紋理采樣，將紋理貼圖的顏色映射到像素。
  • 結論：片段著色器是像素顏色計算的核心階段。
2.?Alpha 測試與混合（Alpha Test & Blending）：顏色最終確定
  • 作用：
    • 深度測試：比較當前片段與已渲染像素的深度值，決定是否保留當前像素（近物覆蓋遠物）。
    • Alpha 混合：根據透明度（Alpha 值）混合當前像素與背景像素的顏色，實現半透明效果（如玻璃、煙霧）。
  • 與顏色的關系：此階段不直接計算顏色，而是基于深度和 Alpha 值對片段著色器輸出的顏色進行篩選或混合，最終確定屏幕上顯示的像素顏色。
    圖形渲染管線核心流程拆解

    1. 3D 到 2D 坐標轉換階段

      • 頂點著色器（Vertex Shader）：輸入單個頂點，將 3D 坐標轉換為特定空間坐標（如裁剪空間），并處理頂點屬性（如位置、顏色）。
      • 幾何著色器（Geometry Shader）（可選）：輸入頂點組（圖元），通過生成新頂點擴展或修改圖元形狀（如從單個三角形生成兩個三角形）。

    2. 圖元裝配與光柵化階段

      • 圖元裝配（Primitive Assembly）：將頂點按指定圖元類型（如三角形、點）裝配為幾何形狀，確定渲染基本單元。
      • 光柵化（Rasterization）：將圖元映射為屏幕像素，生成片段（Fragment）；裁切（Clipping）丟棄視圖外像素，提升效率。

    3. 片段處理與最終輸出階段

      • 片段著色器（Fragment Shader）：計算像素最終顏色，結合 3D 場景數據（光照、陰影、材質等）生成顏色值。
      • Alpha 測試與混合（Alpha Test & Blending）：通過深度 / 模板測試判斷像素可見性，基于 Alpha 值實現透明度混合，確定最終渲染結果。
    管線核心邏輯總結

    “狀態機管理對象狀態 → 管線各階段逐級處理頂點與圖元 → 從 3D 坐標映射至 2D 像素并渲染”，這一流程構成了 OpenGL 將幾何數據轉化為屏幕圖像的完整技術鏈路。

    完整OpenGL繪圖流程

    OpenGL步驟Qt (QOpenGLWidget)畫家類比
    1. 初始化OpenGL上下文

    QOpenGLWidget?構造函數自動創建OpenGL上下文

    initializeOpenGLFunctions()加載OpenGL函數，初始化Qt的OpenGL函數綁定

    		畫家準備好畫布、工具箱（上下文=工具箱+畫布）。
    2. 定義頂點數據在initializeGL()中定義數組（如float vertices[]）畫家決定畫什么（如“畫一個三角形，左下紅、右下綠、頂部藍”）。
    3. 創建VBOglGenBuffers()?+?glBufferData()?在initializeGL()中完成把顏料擠到調色盤上（VBO=顏料管，存儲原始顏色和位置數據）。
    4. 創建VAOglGenVertexArrays()?+ 配置屬性（glVertexAttribPointer）在initializeGL()中完成

    調色盤（VAO）記錄：

    - 紅色顏料用于輪廓

    - 藍色顏料用于填充。

    5. 清空屏幕在paintGL()中調用?glClear()畫家擦干凈畫布
    6. 綁定VAO在paintGL()中調用?glBindVertexArray(VAO)畫家拿起調色盤（綁定VAO后，OpenGL知道如何讀取VBO數據）。
    7. 繪制調用在paintGL()中調用?glDrawArrays()畫家用調色盤上的顏料開始作畫
    8. 解綁VAO可調用?glBindVertexArray(0)，但Qt通常省略畫家放下調色盤
    9.調整畫布大小重寫?resizeGL(int w, int h)，自動調用畫家根據畫布大小調整畫筆范圍。

    10.清理資源

    		QOpenGLWidget?析構函數自動釋放VAO/VBO畫家收工，清理調色盤和顏料。

    ?原生OpenGL對比Qt繪圖流程關鍵區別總結

    特性Qt (QOpenGLWidget)原生OpenGL (GLFW)
    上下文管理自動創建和管理OpenGL上下文需手動初始化（如GLFW/GLEW）
    窗口集成直接嵌入Qt窗口體系需手動處理窗口事件（如GLFW）
    函數調用通過?QOpenGLFunctions?調用OpenGL API直接調用OpenGL API（如?glDrawArrays）
    生命周期自動調用?initializeGL()、paintGL()需手動編寫渲染循環
    適用場景Qt應用程序中嵌入3D繪圖跨平臺游戲/獨立圖形應用

    Qt 的?QOpenGLWidget?繪圖完整代碼——制一個三色三角形

    1.1 創建自定義?QOpenGLWidget?子類
    // 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;       // 繪制void resizeGL(int w, int h) override; // 窗口大小變化時調整private:GLuint VAO, VBO;  // OpenGL對象
};
    1.2 實現?initializeGL（初始化階段）
    // MyGLWidget.cpp
void MyGLWidget::initializeGL() {initializeOpenGLFunctions();  // 初始化Qt的OpenGL函數綁定// 定義頂點數據（位置 + 顏色）float vertices[] = {// 位置          // 顏色-0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左下（紅）0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右下（綠）0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f  // 頂部（藍）};// 創建并綁定VBOglGenBuffers(1, &VBO);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);// 創建并綁定VAOglGenVertexArrays(1, &VAO);glBindVertexArray(VAO);// 配置位置屬性（前3個float）glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);glEnableVertexAttribArray(0);// 配置顏色屬性（后3個float，偏移量=3*sizeof(float)）glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));glEnableVertexAttribArray(1);// 解綁（非必須，但安全）glBindVertexArray(0);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
    1.3 實現?paintGL（渲染階段）
    void MyGLWidget::paintGL() {glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);  // 設置清屏顏色（深綠色）glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);          // 清空顏色緩沖glBindVertexArray(VAO);                // 綁定VAO（自動關聯VBO和屬性）glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);      // 繪制三角形
}
    1.4 實現?resizeGL（窗口調整）
    void MyGLWidget::resizeGL(int w, int h) {glViewport(0, 0, w, h);  // 調整視口大小
}
    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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    禁止 Windows 更新后自動重啟

    Windows 默認會在安裝重要更新后自動重啟&#xff0c;但你可以調整設置來避免這種情況&#xff1a; ??方法 1&#xff1a;通過組策略&#xff08;適用于 Windows 專業版/企業版&#xff09;?? 按 Win R&#xff0c;輸入 gpedit.msc 打開 ??本地組策略編輯器??。導航…
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    GoldenDB簡述

    GoldenDB簡述

    GoldenDB是國產的分布式數據庫。它徹底解決了事務一致性&#xff0c;數據實時一致性的問題。采用的是Shared Nothing&#xff08;分片式存儲&#xff09;的分布式架構。就是不共享數據&#xff0c;各自節點持有各自的數據。對比不共享的&#xff0c;還有其他兩種分布式架構&…
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    訓練過程中的 Loss ?

    訓練過程中的 Loss ?

    文章目錄 在我們訓練的過程中&#xff0c;設置好這個epochs也就是訓練的輪次&#xff0c;然后計算這個損失函數&#xff0c;我們可以知道這個具體的訓練的情況&#xff0c;那么在訓練的過程中&#xff0c;這個損失函數的變化有哪些情況&#xff1f;對應的一個解釋情況是怎么樣的…
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    S2B2B農產品供應鏈交易多平臺開發有哪些發展前景?如何維護?

    S2B2B農產品供應鏈交易多平臺開發有哪些發展前景?如何維護?

    一、S2B2B農產品供應鏈交易多平臺開發的未來發展前景 本文將由小編為您介紹關于S2B2B農產品供應鏈交易多平臺開發的內容&#xff0c;希望能夠幫助大家。在數字化時代&#xff0c;農產品供應鏈的數字化轉型成為了一種必然趨勢。S2B2B(Supplier to Business to Business)模式通過…
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