OpenGL入門學習（十三） 【轉】
阿新 • • 發佈：2019-01-25
前一段時間裡，論壇有位朋友問什麼是狀態機。按我的理解，狀態機就是一種存在於理論中的機器，它具有以下的特點：
1. 它有記憶的能力，能夠記住自己當前的狀態。
2. 它可以接收輸入，根據輸入的內容和自己的狀態，修改自己的狀態，並且可以得到輸出。
3. 當它進入某個特殊的狀態（停機狀態）的時候，它不再接收輸入，停止工作。
理論說起來很抽象，但實際上是很好理解的。
首先，從本質上講，我們現在的電腦就是典型的狀態機。可以對照理解：
1. 電腦的儲存器（記憶體、硬碟等等），可以記住電腦自己當前的狀態（當前安裝在電腦中的軟體、儲存在電腦中的資料，其實都是二進位制的值，都屬於當前的狀態）。
2. 電腦的輸入裝置接收輸入（鍵盤輸入、滑鼠輸入、檔案輸入），根據輸入的內容和自己的狀態（主要指可以執行的程式程式碼），修改自己的狀態（修改記憶體中的值），並且可以得到輸出（將結果顯示到螢幕）。
3. 當它進入某個特殊的狀態（關機狀態）的時候，它不再接收輸入，停止工作。
OpenGL也可以看成這樣的一種機器。讓我們先對照理解一下：
1. OpenGL可以記錄自己的狀態（比如：當前所使用的顏色、是否開啟了混合功能，等等，這些都是要記錄的）
2. OpenGL可以接收輸入（當我們呼叫OpenGL函式的時候，實際上可以看成OpenGL在接收我們的輸入），根據輸入的內容和自己的狀態，修改自己的狀態，並且可以得到輸出（比如我們呼叫glColor3f，則OpenGL接收到這個輸入後會修改自己的“當前顏色”這個狀態；我們呼叫glRectf，則OpenGL會輸出一個矩形）
3. OpenGL可以進入停止狀態，不再接收輸入。這個可能在我們的程式中表現得不太明顯，不過在程式退出前，OpenGL總會先停止工作的。
還是沒理解？呵呵，看來這真不是個好的開始呀，難得等了這麼久，好不容易教程有更新了，怎麼如此的難懂啊？？沒關係，實在沒理解，咱就不理解它了。接著往下看。
為什麼我要提到“狀態機”這個枯燥的、晦澀的概念呢？其實它可以幫助我們理解一些東西。
比如我在前面的教程裡面，經常說：
可以使用glColor*函式來選擇一種顏色，以後繪製的所有物體都是這種顏色，除非再次使用glColor*函式重新設定。
可以使用glTexCoord*函式來設定一個紋理座標，以後繪製的所有物體都是採用這種紋理座標，除非再次使用glTexCoord*函式重新設定。
可以使用glBlendFunc函式來指定混合功能的源因子和目標因子，以後繪製的所有物體都是採用這個源因子和目標因子，除非再次使用glBlendFunc函式重新指定。
可以使用glLight*函式來指定光源的位置、顏色，以後繪製的所有物體都是採用這個光源的位置、顏色，除非再次使用glBlendFunc函式重新指定。
……
呵呵，很繁，是吧？“狀態機”可以簡化這個描述。
OpenGL是一個狀態機，它保持自身的狀態，除非使用者輸入一條命令讓它改變狀態。
顏色、紋理座標、源因子和目標因子、光源的各種引數，等等，這些都是狀態，所以這一句話就包含了上面敘述的所有內容。
此外，“是否啟用了光照”、“是否啟用了紋理”、“是否啟用了混合”、“是否啟用了深度測試”等等，這些也都是狀態，也符合上面的描述：OpenGL會保持狀態，除非我們呼叫OpenGL函式來改變它。
取得OpenGL的當前狀態
OpenGL儲存了自己的狀態，我們可以通過一些函式來取得這些狀態。
首先來說一些啟用/禁用的狀態。
我們通過glEnable來啟用狀態，通過glDisable來禁用它們。例如：
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_BLEND);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
可以用glIsEnabled函式來檢測這些狀態是否被開啟。例如：
glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST);
glIsEnabled(GL_BLEND);
glIsEnabled(GL_CULL_FACE);
glIsEnabled(GL_LIGHTING);
glIsEnabled(GL_TEXTURE_2D);
如果狀態是開啟的，則glIsEnabled函式返回GL_TRUE（這是一個不為零的常量，一般被定義為1）；否則返回GL_FALSE（這是一個常量，其值為零）
我們可以在程式裡面寫：
if
// 當前開啟了混合功能
} else {
// 當前沒有開啟混合功能
}
再看其它型別的狀態。
比如當前顏色，其值是四個浮點數，當前設定的直線寬度，其值是一個浮點數，當前的視口（Viewport，參見第五課），其值是四個整數。
為了取得整數型別、浮點數型別的狀態，OpenGL提供了glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev這四個函式。呼叫函式時，指定需要得到的狀態的名稱，以及需要將狀態值存放到的位置（一個指標），則這四個函式可以把狀態值存放到指標所值位置。例如：
// 取得當前的直線寬度
GLfloat lw;
glGetFloatv(GL_LINE_WIDTH, &lw);
// 取得當前的顏色
GLfloat cc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
// 取得當前的視口
GLint viewport[4];
glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);
說明：
1. 注意元素的個數。比如GL_LINE_WIDTH狀態只有一個值，而GL_CURRENT_COLOR有四個值。應該小心的定義變數或者陣列，避免下標越界。
2. 使用四個不同的函式，同一種狀態也可以返回為不同型別的值。比如要得到當前的顏色，一般可以返回GLfloat型別或者GLdouble型別。程式碼如下：
GLfloat cc[4];
GLdouble dcc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
glGetDoublev(GL_CURRENT_COLOR, dcc);
glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev這四個函式可以得到OpenGL中多數的狀態，但是還有一些狀態不便用這四個函式來取得。比如光源的狀態，因為可能有多個光源，所以不可能使用類似glGetFloatv(GL_LIGHT_POSITION, pos);這樣的方法來得到光源位置。為了解決這個問題，OpenGL專門提供了glGetLight*系列函式，來取得光源的狀態。
類似的，還有glGetMaterial*, glGetTexParameter*等，每個函式都有自己的適用範圍。
設定OpenGL狀態
答案很簡單，因為OpenGL已經提供了大量的函式來設定狀態了：glColor*, glMaterial*, glEnable, glDisable, 等等，大多數OpenGL函式都是用來設定OpenGL狀態的，因此不需要再設計一個setXXX函式來設定OpenGL狀態。
從“狀態機”的角度來看。狀態機根據輸入來修改自己的狀態，而不是由外界直接修改自己的狀態。所以不設定setXXX這樣的函式，也是很合理的。
OpenGL工作流程
教程都放到第十三課了，但是我一直沒有對“工作流程”這種東西做過說明。OpenGL是按照什麼樣的流程來進行工作的呢？下面的圖片可以簡要的說明一下：
宣告：該圖片來自www.opengl.org，該圖片是《OpenGL程式設計指南》一書的附圖，由於該書的舊版（第一版，1994年）已經流傳於網路，我希望沒有觸及到版權問題。
因為圖片中的文字是英語，這裡還翻譯一下。說明文字也夾雜在翻譯之中了。
1. Vertex data: 頂點資料。比如我們指定的顏色、紋理座標、法線向量、頂點座標等，都屬於頂點資料。
2. Pixel data: 畫素資料。我們在繪製畫素、指定紋理時都會用到畫素資料。
3. Display list: 顯示列表。可以把呼叫的OpenGL函式儲存起來。（參見第八課）
4. Evaluators: 求值器。這個我們在前面的課程中沒有提到，以後估計也不太會提到。利用求值器可以指定貝賽爾曲線或者貝賽爾曲面，但是實際上還是可以理解為指定頂點、指定紋理座標、指定法線向量等。
5. Per-vertex operations and primitive assembly: 單一的頂點操作以及圖元裝配。首先對單一的頂點進行操作，比如變換（參見第五課）。然後把頂點裝配為圖元（圖元就是OpenGL所能繪製的最簡單的圖形，比如點、線段、三角形、四邊形、多邊形等，參見第二課）
6. Pixel operations: 畫素操作。例如把記憶體中的畫素資料格式轉化為圖形硬體所支援的資料格式。對於紋理，可以替換其中的一部分畫素，這也屬於畫素操作。
7. Rasterization: 光柵化。頂點資料和畫素資料在這裡交匯（可以想像成：頂點和紋理，一起組合成了具有紋理的三角形），形成完整的、可以顯示的一整塊（可能是點、線段、三角形、四邊形，或者其它不規則圖形），裡面包含若干個畫素。這一整塊被稱為fragment（片段）。
8. Per-fragment operations: 片段操作。包括各種片段測試（參見第十二課）。
9. Framebuffer: 幀緩衝。這是一塊儲存空間，顯示裝置從這裡讀取資料，然後顯示到螢幕。
10. Texture assembly: 紋理裝配，這裡我也沒怎麼弄清楚:(，大概是說紋理的操作和畫素操作是相關的吧。
說明：圖片中實線表示正常的處理流程，虛線表示資料可以反方向讀取，比如可以用glReadPixels從幀緩衝中讀取畫素資料（實際上是從幀緩衝讀取資料，經過畫素操作，把顯示裝置中的畫素資料格式轉化為記憶體中的畫素資料格式，最終成為記憶體中的畫素資料）。
小結
本課是枯燥的理論知識。
OpenGL是一個狀態機，它維持自己的狀態，並根據使用者呼叫的函式來改變自己的狀態。根據狀態的不同，呼叫同樣的函式也可能產生不同的效果。
可以通過一些函式來獲取OpenGL當前的狀態。常用的函式有：glIsEnabled, glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev。
OpenGL的工作流程，輸入畫素資料和頂點資料，兩種資料分別操作後，通過光柵化，得到片段，再經過片段處理，最後繪製到幀緩衝區。繪製的結果也可以逆方向傳送，最終轉化為畫素資料。
1. 它有記憶的能力，能夠記住自己當前的狀態。
2. 它可以接收輸入，根據輸入的內容和自己的狀態，修改自己的狀態，並且可以得到輸出。
3. 當它進入某個特殊的狀態（停機狀態）的時候，它不再接收輸入，停止工作。
理論說起來很抽象，但實際上是很好理解的。
首先，從本質上講，我們現在的電腦就是典型的狀態機。可以對照理解：
1. 電腦的儲存器（記憶體、硬碟等等），可以記住電腦自己當前的狀態（當前安裝在電腦中的軟體、儲存在電腦中的資料，其實都是二進位制的值，都屬於當前的狀態）。
2. 電腦的輸入裝置接收輸入（鍵盤輸入、滑鼠輸入、檔案輸入），根據輸入的內容和自己的狀態（主要指可以執行的程式程式碼），修改自己的狀態（修改記憶體中的值），並且可以得到輸出（將結果顯示到螢幕）。
3. 當它進入某個特殊的狀態（關機狀態）的時候，它不再接收輸入，停止工作。
OpenGL也可以看成這樣的一種機器。讓我們先對照理解一下：
1. OpenGL可以記錄自己的狀態（比如：當前所使用的顏色、是否開啟了混合功能，等等，這些都是要記錄的）
2. OpenGL可以接收輸入（當我們呼叫OpenGL函式的時候，實際上可以看成OpenGL在接收我們的輸入），根據輸入的內容和自己的狀態，修改自己的狀態，並且可以得到輸出（比如我們呼叫glColor3f，則OpenGL接收到這個輸入後會修改自己的“當前顏色”這個狀態；我們呼叫glRectf，則OpenGL會輸出一個矩形）
3. OpenGL可以進入停止狀態，不再接收輸入。這個可能在我們的程式中表現得不太明顯，不過在程式退出前，OpenGL總會先停止工作的。
還是沒理解？呵呵，看來這真不是個好的開始呀，難得等了這麼久，好不容易教程有更新了，怎麼如此的難懂啊？？沒關係，實在沒理解，咱就不理解它了。接著往下看。
為什麼我要提到“狀態機”這個枯燥的、晦澀的概念呢？其實它可以幫助我們理解一些東西。
比如我在前面的教程裡面，經常說：
可以使用glColor*函式來選擇一種顏色，以後繪製的所有物體都是這種顏色，除非再次使用glColor*函式重新設定。
可以使用glTexCoord*函式來設定一個紋理座標，以後繪製的所有物體都是採用這種紋理座標，除非再次使用glTexCoord*函式重新設定。
可以使用glBlendFunc函式來指定混合功能的源因子和目標因子，以後繪製的所有物體都是採用這個源因子和目標因子，除非再次使用glBlendFunc函式重新指定。
可以使用glLight*函式來指定光源的位置、顏色，以後繪製的所有物體都是採用這個光源的位置、顏色，除非再次使用glBlendFunc函式重新指定。
……
呵呵，很繁，是吧？“狀態機”可以簡化這個描述。
OpenGL是一個狀態機，它保持自身的狀態，除非使用者輸入一條命令讓它改變狀態。
顏色、紋理座標、源因子和目標因子、光源的各種引數，等等，這些都是狀態，所以這一句話就包含了上面敘述的所有內容。
此外，“是否啟用了光照”、“是否啟用了紋理”、“是否啟用了混合”、“是否啟用了深度測試”等等，這些也都是狀態，也符合上面的描述：OpenGL會保持狀態，除非我們呼叫OpenGL函式來改變它。
取得OpenGL的當前狀態
OpenGL儲存了自己的狀態，我們可以通過一些函式來取得這些狀態。
首先來說一些啟用/禁用的狀態。
我們通過glEnable來啟用狀態，通過glDisable來禁用它們。例如：
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_BLEND);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
可以用glIsEnabled函式來檢測這些狀態是否被開啟。例如：
glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST);
glIsEnabled(GL_BLEND);
glIsEnabled(GL_CULL_FACE);
glIsEnabled(GL_LIGHTING);
glIsEnabled(GL_TEXTURE_2D);
如果狀態是開啟的，則glIsEnabled函式返回GL_TRUE（這是一個不為零的常量，一般被定義為1）；否則返回GL_FALSE（這是一個常量，其值為零）
我們可以在程式裡面寫：
if
// 當前開啟了混合功能
} else {
// 當前沒有開啟混合功能
}
再看其它型別的狀態。
比如當前顏色，其值是四個浮點數，當前設定的直線寬度，其值是一個浮點數，當前的視口（Viewport，參見第五課），其值是四個整數。
為了取得整數型別、浮點數型別的狀態，OpenGL提供了glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev這四個函式。呼叫函式時，指定需要得到的狀態的名稱，以及需要將狀態值存放到的位置（一個指標），則這四個函式可以把狀態值存放到指標所值位置。例如：
// 取得當前的直線寬度
GLfloat lw;
glGetFloatv(GL_LINE_WIDTH, &lw);
// 取得當前的顏色
GLfloat cc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
// 取得當前的視口
GLint viewport[4];
glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);
說明：
1. 注意元素的個數。比如GL_LINE_WIDTH狀態只有一個值，而GL_CURRENT_COLOR有四個值。應該小心的定義變數或者陣列，避免下標越界。
2. 使用四個不同的函式，同一種狀態也可以返回為不同型別的值。比如要得到當前的顏色，一般可以返回GLfloat型別或者GLdouble型別。程式碼如下：
GLfloat cc[4];
GLdouble dcc[4];
glGetFloatv(GL_CURRENT_COLOR, cc);
glGetDoublev(GL_CURRENT_COLOR, dcc);
glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev這四個函式可以得到OpenGL中多數的狀態，但是還有一些狀態不便用這四個函式來取得。比如光源的狀態，因為可能有多個光源，所以不可能使用類似glGetFloatv(GL_LIGHT_POSITION, pos);這樣的方法來得到光源位置。為了解決這個問題，OpenGL專門提供了glGetLight*系列函式，來取得光源的狀態。
類似的，還有glGetMaterial*, glGetTexParameter*等，每個函式都有自己的適用範圍。
設定OpenGL狀態
答案很簡單，因為OpenGL已經提供了大量的函式來設定狀態了：glColor*, glMaterial*, glEnable, glDisable, 等等，大多數OpenGL函式都是用來設定OpenGL狀態的，因此不需要再設計一個setXXX函式來設定OpenGL狀態。
從“狀態機”的角度來看。狀態機根據輸入來修改自己的狀態，而不是由外界直接修改自己的狀態。所以不設定setXXX這樣的函式，也是很合理的。
OpenGL工作流程
教程都放到第十三課了，但是我一直沒有對“工作流程”這種東西做過說明。OpenGL是按照什麼樣的流程來進行工作的呢？下面的圖片可以簡要的說明一下：
宣告：該圖片來自www.opengl.org，該圖片是《OpenGL程式設計指南》一書的附圖，由於該書的舊版（第一版，1994年）已經流傳於網路，我希望沒有觸及到版權問題。
因為圖片中的文字是英語，這裡還翻譯一下。說明文字也夾雜在翻譯之中了。
1. Vertex data: 頂點資料。比如我們指定的顏色、紋理座標、法線向量、頂點座標等，都屬於頂點資料。
2. Pixel data: 畫素資料。我們在繪製畫素、指定紋理時都會用到畫素資料。
3. Display list: 顯示列表。可以把呼叫的OpenGL函式儲存起來。（參見第八課）
4. Evaluators: 求值器。這個我們在前面的課程中沒有提到，以後估計也不太會提到。利用求值器可以指定貝賽爾曲線或者貝賽爾曲面，但是實際上還是可以理解為指定頂點、指定紋理座標、指定法線向量等。
5. Per-vertex operations and primitive assembly: 單一的頂點操作以及圖元裝配。首先對單一的頂點進行操作，比如變換（參見第五課）。然後把頂點裝配為圖元（圖元就是OpenGL所能繪製的最簡單的圖形，比如點、線段、三角形、四邊形、多邊形等，參見第二課）
6. Pixel operations: 畫素操作。例如把記憶體中的畫素資料格式轉化為圖形硬體所支援的資料格式。對於紋理，可以替換其中的一部分畫素，這也屬於畫素操作。
7. Rasterization: 光柵化。頂點資料和畫素資料在這裡交匯（可以想像成：頂點和紋理，一起組合成了具有紋理的三角形），形成完整的、可以顯示的一整塊（可能是點、線段、三角形、四邊形，或者其它不規則圖形），裡面包含若干個畫素。這一整塊被稱為fragment（片段）。
8. Per-fragment operations: 片段操作。包括各種片段測試（參見第十二課）。
9. Framebuffer: 幀緩衝。這是一塊儲存空間，顯示裝置從這裡讀取資料，然後顯示到螢幕。
10. Texture assembly: 紋理裝配，這裡我也沒怎麼弄清楚:(，大概是說紋理的操作和畫素操作是相關的吧。
說明：圖片中實線表示正常的處理流程，虛線表示資料可以反方向讀取，比如可以用glReadPixels從幀緩衝中讀取畫素資料（實際上是從幀緩衝讀取資料，經過畫素操作，把顯示裝置中的畫素資料格式轉化為記憶體中的畫素資料格式，最終成為記憶體中的畫素資料）。
小結
本課是枯燥的理論知識。
OpenGL是一個狀態機，它維持自己的狀態，並根據使用者呼叫的函式來改變自己的狀態。根據狀態的不同，呼叫同樣的函式也可能產生不同的效果。
可以通過一些函式來獲取OpenGL當前的狀態。常用的函式有：glIsEnabled, glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev。
OpenGL的工作流程，輸入畫素資料和頂點資料，兩種資料分別操作後，通過光柵化，得到片段，再經過片段處理，最後繪製到幀緩衝區。繪製的結果也可以逆方向傳送，最終轉化為畫素資料。