OpenGl 学习， 绘制一个立方体

首先还是以前课程的连接：














第十五课，从”绘制一个立方体”来看OpenGL的进化过程 –→ 本次课程的内容

这次讲的所有内容都装在一个立方体中，呵呵。

呵呵，绘制一个立方体，简单呀，我们学了第一课第二课，早就会了。
先别着急，立方体是很简单，但是这里只是拿立方体做一个例子，来说明OpenGL在绘制方法上的改进。从原始一点的办法开始
一个立方体有六个面，每个面是一个正方形，好，绘制六个正方形就可以了。

glBegin(GL_QUADS);
glVertex3f(…);
glVertex3f(…);
glVertex3f(…);
glVertex3f(…);

// …
glEnd();

为了绘制六个正方形，我们为每个正方形指定四个顶点，最终我们需要指定6*4=24个顶点。但是我们知道，一个立方体其实总共只有八个顶点，要指定24次，就意味着每个顶点其实重复使用了三次，这样可不是好的现象。最起码，像上面这样重复烦琐的代码，是很容易出错的。稍有不慎，即使相同的顶点也可能被指定成不同的顶点了。
如果我们定义一个数组，把八个顶点都放到数组里，然后每次指定顶点都使用指针，而不是使用直接的数据，这样就避免了在指定顶点时考虑大量的数据，于是减少了代码出错的可能性。

// 将立方体的八个顶点保存到一个数组里面
static const GLfloat vertex_list[][3] = {
-0.5f, -0.5f, -0.5f,
0.5f, -0.5f, -0.5f,
// …
};
// 指定顶点时，用指针，而不用直接用具体的数据
glBegin(GL_QUADS);
glVertex3fv(vertex_list[0]);
glVertex3fv(vertex_list[2]);
glVertex3fv(vertex_list[3]);
glVertex3fv(vertex_list[1]);

// …
glEnd();

修改之后，虽然代码变长了，但是确实易读得多。很容易就看出第0, 2, 3, 1这四个顶点构成一个正方形。
稍稍观察就可以发现，我们使用了大量的glVertex3fv函数，其实每一句都只有其中的顶点序号不一样，因此我们可以再定义一个序号数组，把所有的序号也放进去。这样一来代码就更加简单了。

// 将立方体的八个顶点保存到一个数组里面
static const GLfloat vertex_list[][3] = {
-0.5f, -0.5f, -0.5f,
0.5f, -0.5f, -0.5f,
-0.5f, 0.5f, -0.5f,
0.5f, 0.5f, -0.5f,
-0.5f, -0.5f, 0.5f,
0.5f, -0.5f, 0.5f,
-0.5f, 0.5f, 0.5f,
0.5f, 0.5f, 0.5f,
};

// 将要使用的顶点的序号保存到一个数组里面
static const GLint index_list[][4] = {
0, 2, 3, 1,
0, 4, 6, 2,
0, 1, 5, 4,
4, 5, 7, 6,
1, 3, 7, 5,
2, 6, 7, 3,
};

int i, j;

// 绘制的时候代码很简单
glBegin(GL_QUADS);
for(i=0; i<6; ++i) // 有六个面，循环六次
for(j=0; j<4; ++j) // 每个面有四个顶点，循环四次
glVertex3fv(vertex_list[index_list[i][j]]);
glEnd();

这样，我们就得到一个比较成熟的绘制立方体的版本了。它的数据和程序代码基本上是分开的，所有的顶点放到一个数组中，使用顶点的序号放到另一个数组中，而利用这两个数组来绘制立方体的代码则很简单。
关于顶点的序号，下面这个图片可以帮助理解。

正对我们的面，按逆时针顺序，背对我们的面，则按顺时针顺序，这样就得到了上面那个index_list数组。
为什么要按照顺时针逆时针的规则呢？因为这样做可以保证无论从哪个角度观察，看到的都是”正面”，而不是背面。在计算光照时，正面和背面的处理可能是不同的，另外，剔除背面只绘制正面，可以提高程序的运行效率。（关于正面、背面，以及剔除，参见第三课，绘制几何图形的一些细节问题）
例如在绘制之前调用如下的代码：

glFrontFace(GL_CCW);
glCullFace(GL_BACK);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);

则绘制出来的图形就只有正面，并且只显示边线，不进行填充。
效果如图：

顶点数组
（提示：顶点数组是OpenGL 1.1所提供的功能）
前面的方法中，我们将数据和代码分离开，看起来只要八个顶点就可以绘制一个立方体了。但是实际上，循环还是执行了6*4=24次，也就是说虽然代码的结构清晰了不少，但是程序运行的效率，还是和最原始的那个方法一样。
减少函数的调用次数，是提高运行效率的方法之一。于是我们想到了显示列表。把绘制立方体的代码装到一个显示列表中，以后只要调用这个显示列表即可。
这样看起来很不错，但是显示列表有一个缺点，那就是一旦建立后不可再改。如果我们要绘制的不是立方体，而是一个能够走动的人物，因为人物走动时，四肢的位置不断变化，几乎没有办法把所有的内容装到一个显示列表中。必须每种动作都使用单独的显示列表，这样会导致大量的显示列表管理困难。
顶点数组是解决这个问题的一个方法。使用顶点数组的时候，也是像前面的方法一样，用一个数组保存所有的顶点，用一个数组保存顶点的序号。但最后绘制的时候，不是编写循环语句逐个的指定顶点了，而是通知OpenGL，”保存顶点的数组”和”保存顶点序号的数组”所在的位置，由OpenGL自动的找到顶点，并进行绘制。
下面的代码说明了顶点数组是如何使用的：

glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertex_list);
glDrawElements(GL_QUADS, 24, GL_UNSIGNED_INT, index_list);

其中：
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); 表示启用顶点数组。
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertex_list); 指定顶点数组的位置，3表示每个顶点由三个量构成（x, y, z），GL_FLOAT表示每个量都是一个GLfloat类型的值。第三个参数0，参见后面介绍”stride参数”。最后的vertex_list指明了数组实际的位置。
glDrawElements(GL_QUADS, 24, GL_UNSIGNED_INT, index_list); 根据序号数组中的序号，查找到相应的顶点，并完成绘制。GL_QUADS表示绘制的是四边形，24表示总共有24个顶点，GL_UNSIGNED_INT表示序号数组内每个序号都是一个GLuint类型的值，index_list指明了序号数组实际的位置。
上面三行代码代替了原来的循环。可以看到，原来的glBegin/glEnd不再需要了，也不需要调用glVertex*系列函数来指定顶点，因此可以明显的减少函数调用次数。另外，数组中的内容可以随时修改，比显示列表更加灵活。

详细一点的说明。
顶点数组实际上是多个数组，顶点坐标、纹理坐标、法线向量、顶点颜色等等，顶点的每一个属性都可以指定一个数组，然后用统一的序号来进行访问。比如序号3，就表示取得颜色数组的第3个元素作为颜色、取得纹理坐标数组的第3个元素作为纹理坐标、取得法线向量数组的第3个元素作为法线向量、取得顶点坐标数组的第 3个元素作为顶点坐标。把所有的数据综合起来，最终得到一个顶点。
可以用glEnableClientState/glDisableClientState单独的开启和关闭每一种数组。
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
glEnableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
用以下的函数来指定数组的位置：
glVertexPointer
glColorPointer
glNormalPointer
glTexCoordPointer

为什么不使用原来的glEnable/glDisable函数，而要专门的规定一个glEnableClientState /glDisableClientState函数呢？这跟OpenGL的工作机制有关。OpenGL在设计时，认为可以将整个OpenGL系统分为两部分，一部分是客户端，它负责发送OpenGL命令。一部分是服务端，它负责接收OpenGL命令并执行相应的操作。对于个人计算机来说，可以将CPU、内存等硬件，以及用户编写的OpenGL程序看做客户端，而将OpenGL驱动程序、显示设备等看做服务端。
通常，所有的状态都是保存在服务端的，便于OpenGL使用。例如，是否启用了纹理，服务端在绘制时经常需要知道这个状态，而我们编写的客户端OpenGL程序只在很少的时候需要知道这个状态。所以将这个状态放在服务端是比较有利的。
但顶点数组的状态则不同。我们指定顶点，实际上就是把顶点数据从客户端发送到服务端。是否启用顶点数组，只是控制发送顶点数据的方式而已。服务端只管接收顶点数据，而不必管顶点数据到底是用哪种方式指定的（可以直接使用glBegin/glEnd/glVertex*，也可以使用顶点数组）。所以，服务端不需要知道顶点数组是否开启。因此，顶点数组的状态放在客户端是比较合理的。
为了表示服务端状态和客户端状态的区别，服务端的状态用glEnable/glDisable，客户端的状态则用glEnableClientState/glDisableClientState。

stride参数。
顶点数组并不要求所有的数据都连续存放。如果数据没有连续存放，则指定数据之间的间隔即可。
例如：我们使用一个struct来存放顶点中的数据。注意每个顶点除了坐标外，还有额外的数据（这里是一个int类型的值）。

typedef struct __point__ {
GLfloat position[3];
int id;
} Point;
Point vertex_list[] = {
-0.5f, -0.5f, -0.5f, 1,
0.5f, -0.5f, -0.5f, 2,
-0.5f, 0.5f, -0.5f, 3,
0.5f, 0.5f, -0.5f, 4,
-0.5f, -0.5f, 0.5f, 5,
0.5f, -0.5f, 0.5f, 6,
-0.5f, 0.5f, 0.5f, 7,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 8,
};
static GLint index_list[][4] = {
0, 2, 3, 1,
0, 4, 6, 2,
0, 1, 5, 4,
4, 5, 7, 6

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