在现代 OpenGL 中画一条线

Question

我只是想在屏幕上画一条线。我正在使用 OpenGL 4.6。我发现的所有教程都使用了glVertexPointer，据我所知，它已被弃用。

我知道如何使用缓冲区绘制三角形，所以我用一条线尝试了这一点。它没有用，只是显示黑屏。（我正在使用 GLFW 和 GLEW，并且我正在使用我已经在三角形上测试过的顶点+片段着色器）

    // Make line
    float line[] = {
        0.0, 0.0,
        1.0, 1.0
    };

    unsigned int buffer; // The ID, kind of a pointer for VRAM
    glGenBuffers(1, &buffer); // Allocate memory for the triangle
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer); // Set the buffer as the active array
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 2 * sizeof(float), line, GL_STATIC_DRAW); // Fill the buffer with data
    glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), 0); // Specify how the buffer is converted to vertices
    glEnableVertexAttribArray(0); // Enable the vertex array

    // Loop until the user closes the window
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        // Clear previous
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        // Draw the line
        glDrawArrays(GL_LINES, 0, 2);

        // Swap front and back buffers
        glfwSwapBuffers(window);

        // Poll for and process events
        glfwPollEvents();
    }

我是朝着正确的方向前进，还是完全不同的方法是当前的最佳实践？如果是，我该如何修复我的代码？

Answer 1

问题是调用glBufferData. 第二个参数是缓冲区的大小（以字节为单位）。由于顶点数组由 2 个坐标和 2 个分量组成，缓冲区的大小是4 * sizeof(float)而不是2 * sizeof(float)：

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 2 * sizeof(float), line, GL_STATIC_DRAW);

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 4 * sizeof(float), line, GL_STATIC_DRAW);

但请注意，这仍然不是“现代”OpenGL。如果要使用核心配置文件OpenGL Context，则必须使用Shader程序和Vertex Array Object

但是，如果您使用的是核心 OpenGL 上下文并且设置了前向兼容性位，则线条 ( glLineWidth)的宽度不能大于 1.0。
请参阅OpenGL 4.6 API 核心配置文件规范 - E.2 弃用和删除的功能

宽线 - LineWidth值大于1.0将产生INVALID_VALUE错误。

你必须找到一种不同的方法。

我建议使用Shader，它沿线带（甚至线环）生成三角形基元。
任务是生成粗线条，尽可能减少 CPU 和 GPU 开销。这意味着要避免在 CPU 以及几何着色器（或曲面细分着色器）上计算多边形。

线的每一段由一个四边形组成，由 2 个三角形基元分别代表 6 个顶点。

0        2   5
 +-------+  +
 |     /  / |
 |   /  /   |
 | /  /     |
 +  +-------+
1   3        4

必须找到线段之间的斜接，并且必须将四边形切割成斜接。

+----------------+
|              / |
| segment 1  /   |
|          /     |
+--------+       |
         | segment 2
         |       |
         |       |
         +-------+

使用线带的角点创建一个数组。该数组必须包含第一个和最后一个点两次。当然，通过比较索引与 0 和数组的长度来识别数组的第一个和最后一个元素会很容易，但我们不想在着色器中做任何额外的检查。
如果必须绘制线循环，则必须将最后一个点添加到数组头部，并将第一个点添加到数组尾部。

点数组存储到着色器存储缓冲区对象。我们利用了好处，即 SSBO 的最后一个变量可以是一个可变大小的数组。在旧版本的 OpenGL（或 OpenGL ES）中，可以使用统一缓冲区对象甚至纹理。

着色器不需要任何顶点坐标或属性。我们只需要知道线段的索引。坐标存储在缓冲区中。为了找到索引，我们使用当前正在处理的顶点的索引 ( gl_VertexID)。
要绘制带N线段的线带，6*(N-1)必须处理顶点 tpo。

我们必须创建一个“空”的顶点数组对象（没有任何顶点属性规范）：

glGenVertexArrays(1, &vao);
glBindVertexArray(vao);

并绘制2*(N-1)三角形（6*(N-1)顶点）：

glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6*(N-1));

对于 SSBO 中的坐标数组，使用了数据类型vec4（请相信我，你不想使用vec3）：

layout(std430, binding = 0) buffer TVertex
{
   vec4 vertex[];
};

计算线段的索引，顶点坐标也属于这里，以及2个三角形中点的索引：

int line_i = gl_VertexID / 6;
int tri_i  = gl_VertexID % 6;

由于我们绘制N-1线段，但元件的阵列中的数量为N+2，所述元件形成vertex[line_t]于vertex[line_t+3]可针对其在顶点着色器处理的每个顶点进行访问。
vertex[line_t+1]和vertex[line_t+2]是线段的起点坐标和终点坐标。vertex[line_t]并且vertex[line_t+3]需要计算斜接。

线的粗细应以像素为单位（uniform float u_thickness）。坐标必须从模型空间转换到窗口空间。为此，必须知道视口的分辨率 ( uniform vec2 u_resolution)。不要忘记透视鸿沟。线条的绘制甚至可以在透视投影中工作。

vec4 va[4];
for (int i=0; i<4; ++i)
{
    va[i] = u_mvp * vertex[line_i+i];
    va[i].xyz /= va[i].w;
    va[i].xy = (va[i].xy + 1.0) * 0.5 * u_resolution;
}

如果前导点或后继点等于线段的起点或终点，斜接计算甚至有效。在这种情况下，线的末端垂直于其切线切割：

vec2 v_line   = normalize(va[2].xy - va[1].xy);
vec2 nv_line  = vec2(-v_line.y, v_line.x);
vec2 v_pred   = normalize(va[1].xy - va[0].xy);
vec2 v_succ   = normalize(va[3].xy - va[2].xy);
vec2 v_miter1 = normalize(nv_line + vec2(-v_pred.y, v_pred.x));
vec2 v_miter2 = normalize(nv_line + vec2(-v_succ.y, v_succ.x));

在最终的顶点着色器中，我们只需要计算v_miter1或v_miter2依赖于tri_i. 使用斜接、线段的法向量和线宽 ( u_thickness)，可以计算顶点坐标：

vec4 pos;
if (tri_i == 0 || tri_i == 1 || tri_i == 3)
{
    vec2 v_pred  = normalize(va[1].xy - va[0].xy);
    vec2 v_miter = normalize(nv_line + vec2(-v_pred.y, v_pred.x));

    pos = va[1];
    pos.xy += v_miter * u_thickness * (tri_i == 1 ? -0.5 : 0.5) / dot(v_miter, nv_line);
}
else
{
    vec2 v_succ  = normalize(va[3].xy - va[2].xy);
    vec2 v_miter = normalize(nv_line + vec2(-v_succ.y, v_succ.x));

    pos = va[2];
    pos.xy += v_miter * u_thickness * (tri_i == 5 ? 0.5 : -0.5) / dot(v_miter, nv_line);
}

最后，必须将窗口坐标转换回剪辑空间坐标。从窗口空间转换到标准化设备空间。必须扭转透视鸿沟：

pos.xy = pos.xy / u_resolution * 2.0 - 1.0;
pos.xyz *= pos.w;

着色器可以生成以下多边形（用 渲染glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE)）

（默认模式 - glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL)）

对于下面的简单演示程序，我使用GLFW API 创建窗口，使用GLEW加载 OpenGL，使用GLM -OpenGL Mathematics进行数学运算。我没有提供函数的代码CreateProgram，它只是从顶点着色器和片段着色器源代码创建一个程序对象：

#include <vector>
#include <string>
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include <gl/gl_glew.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

std::string vertShader = R"(
#version 460

layout(std430, binding = 0) buffer TVertex
{
   vec4 vertex[]; 
};

uniform mat4  u_mvp;
uniform vec2  u_resolution;
uniform float u_thickness;

void main()
{
    int line_i = gl_VertexID / 6;
    int tri_i  = gl_VertexID % 6;

    vec4 va[4];
    for (int i=0; i<4; ++i)
    {
        va[i] = u_mvp * vertex[line_i+i];
        va[i].xyz /= va[i].w;
        va[i].xy = (va[i].xy + 1.0) * 0.5 * u_resolution;
    }

    vec2 v_line  = normalize(va[2].xy - va[1].xy);
    vec2 nv_line = vec2(-v_line.y, v_line.x);

    vec4 pos;
    if (tri_i == 0 || tri_i == 1 || tri_i == 3)
    {
        vec2 v_pred  = normalize(va[1].xy - va[0].xy);
        vec2 v_miter = normalize(nv_line + vec2(-v_pred.y, v_pred.x));

        pos = va[1];
        pos.xy += v_miter * u_thickness * (tri_i == 1 ? -0.5 : 0.5) / dot(v_miter, nv_line);
    }
    else
    {
        vec2 v_succ  = normalize(va[3].xy - va[2].xy);
        vec2 v_miter = normalize(nv_line + vec2(-v_succ.y, v_succ.x));

        pos = va[2];
        pos.xy += v_miter * u_thickness * (tri_i == 5 ? 0.5 : -0.5) / dot(v_miter, nv_line);
    }

    pos.xy = pos.xy / u_resolution * 2.0 - 1.0;
    pos.xyz *= pos.w;
    gl_Position = pos;
}
)";

std::string fragShader = R"(
#version 460

out vec4 fragColor;

void main()
{
    fragColor = vec4(1.0);
}
)";

GLuint CreateSSBO(std::vector<glm::vec4> &varray)
{
    GLuint ssbo;
    glGenBuffers(1, &ssbo);
    glBindBuffer(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, ssbo );
    glBufferData(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, varray.size()*sizeof(*varray.data()), varray.data(), GL_STATIC_DRAW); 
    return ssbo;
}

int main(void)
{
    if ( glfwInit() == 0 )
        return 0;
    GLFWwindow *window = glfwCreateWindow( 800, 600, "GLFW OGL window", nullptr, nullptr );
    if ( window == nullptr )
    {
        glfwTerminate();
        retturn 0;
    }
    glfwMakeContextCurrent(window);
    if ( glewInit() != GLEW_OK )
        return 0;

    GLuint program  = CreateProgram(vertShader, fragShader);
    GLint  loc_mvp  = glGetUniformLocation(program, "u_mvp");
    GLint  loc_res  = glGetUniformLocation(program, "u_resolution");
    GLint  loc_thi  = glGetUniformLocation(program, "u_thickness");

    glUseProgram(program);
    glUniform1f(loc_thi, 20.0);

    GLushort pattern = 0x18ff;
    GLfloat  factor  = 2.0f;

    glm::vec4 p0(-1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f);
    glm::vec4 p1(1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f);
    glm::vec4 p2(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
    glm::vec4 p3(-1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
    std::vector<glm::vec4> varray1{ p3, p0, p1, p2, p3, p0, p1 };
    GLuint ssbo1 = CreateSSBO(varray1);

    std::vector<glm::vec4> varray2;
    for (int u=-8; u <= 368; u += 8)
    {
        double a = u*M_PI/180.0;
        double c = cos(a), s = sin(a);
        varray2.emplace_back(glm::vec4((float)c, (float)s, 0.0f, 1.0f));
    }
    GLuint ssbo2 = CreateSSBO(varray2);

    GLuint vao;
    glGenVertexArrays(1, &vao);
    glBindVertexArray(vao);

    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    //glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);

    glm::mat4(project);
    int vpSize[2]{0, 0};
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        int w, h;
        glfwGetFramebufferSize(window, &w, &h);
        if (w != vpSize[0] ||  h != vpSize[1])
        {
            vpSize[0] = w; vpSize[1] = h;
            glViewport(0, 0, vpSize[0], vpSize[1]);
            float aspect = (float)w/(float)h;
            project = glm::ortho(-aspect, aspect, -1.0f, 1.0f, -10.0f, 10.0f);
            glUniform2f(loc_res, (float)w, (float)h);
        }

        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        glm::mat4 modelview1( 1.0f );
        modelview1 = glm::translate(modelview1, glm::vec3(-0.6f, 0.0f, 0.0f) );
        modelview1 = glm::scale(modelview1, glm::vec3(0.5f, 0.5f, 1.0f) );
        glm::mat4 mvp1 = project * modelview1;

        glUniformMatrix4fv(loc_mvp, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvp1));
        glBindBufferBase(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, ssbo1);
        GLsizei N1 = (GLsizei)varray1.size()-2;
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6*(N1-1));

        glm::mat4 modelview2( 1.0f );
        modelview2 = glm::translate(modelview2, glm::vec3(0.6f, 0.0f, 0.0f) );
        modelview2 = glm::scale(modelview2, glm::vec3(0.5f, 0.5f, 1.0f) );
        glm::mat4 mvp2 = project * modelview2;

        glUniformMatrix4fv(loc_mvp, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvp2));
        glBindBufferBase(GL_SHADER_STORAGE_BUFFER, 0, ssbo2);
        GLsizei N2 = (GLsizei)varray2.size()-2;
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6*(N2-1));

        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }
    glfwTerminate();

    return 0;
}