计算机图形学·4 OpenGL编程1 背景知识
本文是记录专业课“计算机图形学”的部分笔记，参考教材为Angel的第八版交互式计算机图形学——基于WebGL 2.0的自顶向下方法。
1、如果想了解API发展历史的话，大致看来是1973年IFIPS（国际信息处理学会联合会）的GKS（远远落后于硬件进展）——>从CAD社区诞生的PHIGS（程序员级的交互式层次图形系统，带有保留图形的数据库模型）、X Window System（带有图形的客户端-服务器架构）与PEX（网络窗口环境下的PHIGS）——>1982年的SGI（Silicon Graphics，通过在硬件中实现流水线来优化图形工作站）以及为了访问该系统诞生的GL库——>1992年的跨平台OpenGL（贴近硬件、强调绘制、平台独立），其体系结构审查委员会（ARB）在2006年被Khronos取代。
2、在现代OpenGL中，我们通过着色器（shaders）来控制GPU，应用程序的任务是将数据发送到GPU，而GPU负责所有绘制工作。本课堂中使用OpenGL 3.1的版本，它的特性有：①完全基于着色器（无默认着色器，每个应用程序都必须同时提供一个顶点着色器和一个片元着色器）；②无立即模式；③状态机减少；④大多数2.5版本的函数被弃用；⑤不必向后兼容。
3、其他的如OpenGL ES是服务嵌入式系统的、WebGL是用于网页的OpenGL ES 2.0的JavaScript实现（支持较新版本的浏览器）、OpenGL 4.1和4.2添加了几何着色器和网格器。那么Direct X呢？它的优点是能更好地控制资源、访问高级功能，缺点是新版本不向后兼容、仅限Windows，不过着色器的最新进展正使其与OpenGL趋于一致。
4、OpenGL Libraries介绍如图。其中需要特别说明的是OpenGL Utility Toolkit （GLUT，实用程序工具包），它提供所有窗口系统共有的功能（如Open a window、Get input from mouse and keyboard、Menus、Event-driven），其代码具有可移植性，但GLUT牺牲了针对特定平台的优秀工具包的功能（如slide bars）。
不过GLUT是老东西了，虽然很奇妙它居然还能在OpenGL 3.1上运行，但还是有些功能无法运行。FreeGLUT是GLUT的更新，新增了一些功能以及上下文检查。
5、此外，OpenGL Extension Wrangler Library（扩展库，glew库）也需要额外说明，它使得访问特定系统上可用的OpenGL扩展变得容易、避免了在Windows代码中设置特定的入口点，应用程序只需包含glew.h并运行glewInit()即可。比如，针对window只支持OpenGL1.1的函数的问题（如果要使用后续版本OpenGL的高级特性，就必须下载最新的扩展）、不同的显卡公司会发布一些只有自家显卡才支持的扩展函数的问题（不得不去寻找最新的glext.h），都可以用一个glew.h头文件解决，你就能使用gl、glu、glext、wgl、glx的全部函数。
6、OpenGL架构示意图如下图所示，这里的Polynomial Evaluator是多项式求值器。
OpenGL的软件架构如下图所示，"Motif"特指 1980 年代的 UNIX 图形标准（现为开源工具包），Widget则指界面控件元素。
硬件实现和上图几乎一样，就是Software改成Hardware，Hardware的出箭头指向Display Device，且新增了Display Device到GDI的箭头。
7、OpenGL是一个状态机，其函数有两类：①Primitive generating图元生成（实现可见图元的输出，负责顶点如何被处理以及图元的外观如何被状态控制）；②State changing状态改变（如Transformation functions变换函数和Attribute functions属性函数，在3.1版本大多数状态变量由应用程序定义，并发送给着色器）。其他如控制（GLUT）、输入（GLUT）、Query查询这里不做讨论。
8、需要注意的是，OpenGL不是面向对象的，因此对于给定的逻辑功能，存在多个函数，如glVertex3f、glVertex2i、glVertex3dv。不过它们的底层存储模式是相同的，在C++中创建重载函数也很容易，但问题是效率问题。具体的，函数格式如图所示：
对于#define，大多数常量是在包含文件gl.h、glu.h和glut.h中定义的，而#include <GL/glut.h> 会自动包含其他头文件，如glBegin(GL_POLYGON)、glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)。include文件当然还定义了OpenGL的数据类型如GLfloat、GLdouble等等。
9、首先让我们实现一个最简单的程序，在纯色背景上生成一个正方形：
可以看到，该程序定义了一个名为mydisplay的显示回调函数（display callback），每个glut程序都必须有一个显示回调函数，每当OpenGL判断必须刷新显示时，例如当窗口打开时，就会执行显示回调。主函数结束时，程序进入事件消息循环（event loop）。
不过这个例子有些太简单了，我们大量使用了状态变量的默认值，如Viewing、颜色（设置背景颜色为纯白色 glClearColor(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);）、窗口参数。
10、如果想要自己配置环境，我们推荐Visual C++，可以从网上获取glut.h、glut32.lib和glut32.dll文件、创建一个控制台应用程序、直接将opengl32.lib、glut32.lib添加到项目中。
