OpenGL 与 Go 教程

这篇教程的所有源代码都可以在 GitHub 上找到。

介绍

OpenGL 是一门相当好的技术，适用于从桌面的 GUI 到游戏，到移动应用甚至 web 应用的多种类型的绘图工作。我敢保证，你今天看到的图形有些就是用 OpenGL 渲染的。可是，不管 OpenGL 多受欢迎、有多好用，与学习其它高级绘图库相比，学习 OpenGL 是要相当足够的决心的。

这个教程的目的是给你一个切入点，让你对 OpenGL 有个基本的了解，然后教你怎么用 Go 操作它。几乎每种编程语言都有绑定 OpenGL 的库，Go 也不例外，它有 go-gl 这个包。这是一个完整的套件，可以绑定 OpenGL ，适用于多种版本的 OpenGL。

这篇教程会按照下面列出的几个阶段进行介绍，我们最终的目标是用 OpenGL 在桌面窗口绘制游戏面板，进而实现康威生命游戏。完整的源代码可以在 GitHub github.com/KyleBanks/conways-gol 上获得，当你有疑惑的时候可以随时查看源代码，或者你要按照自己的方式学习也可以参考这个代码。

在我们开始之前，我们要先弄明白康威生命游戏Conway's Game of Life 到底是什么。这里是 Wikipedia 上面的总结：

《生命游戏》，也可以简称为 Life，是一个细胞自动变化的过程，由英国数学家 John Horton Conway 于 1970 年提出。

这个“游戏”没有玩家，也就是说它的发展依靠的是它的初始状态，不需要输入。用户通过创建初始配置文件、观察它如何演变，或者对于高级“玩家”可以创建特殊属性的模式，进而与《生命游戏》进行交互。

规则

《生命游戏》的世界是一个无穷多的二维正交的正方形细胞的格子世界，每一个格子都有两种可能的状态，“存活”或者“死亡”，也可以说是“填充态”或“未填充态”（区别可能很小，可以把它看作一个模拟人类/哺乳动物行为的早期模型，这要看一个人是如何看待方格里的空白）。每一个细胞与它周围的八个细胞相关联，这八个细胞分别是水平、垂直、斜对角相接的。在游戏中的每一步，下列事情中的一件将会发生：

1. 当任何一个存活的细胞的附近少于 2 个存活的细胞时，该细胞将会消亡，就像人口过少所导致的结果一样
2. 当任何一个存活的细胞的附近有 2 至 3 个存活的细胞时，该细胞在下一代中仍然存活。
3. 当任何一个存活的细胞的附近多于 3 个存活的细胞时，该细胞将会消亡，就像人口过多所导致的结果一样
4. 任何一个消亡的细胞附近刚好有 3 个存活的细胞，该细胞会变为存活的状态，就像重生一样。

不需要其他工具，这里有一个我们将会制作的演示程序：

Conway's Game of Life - 示例游戏

在我们的运行过程中，白色的细胞表示它是存活着的，黑色的细胞表示它已经死亡。

概述

本教程将会涉及到很多基础内容，从最基本的开始，但是你还是要对 Go 由一些最基本的了解 —— 至少你应该知道变量、切片、函数和结构体，并且装了一个 Go 的运行环境。我写这篇教程用的 Go 版本是 1.8，但它应该与之前的版本兼容。这里用 Go 语言实现没有什么特别新奇的东西，因此只要你有过类似的编程经历就行。

这里是我们在这个教程里将会讲到的东西：

• 第一节: Hello, OpenGL： 安装 OpenGL 和 GLFW，在窗口上绘制一个三角形。
• 第二节: 绘制游戏面板： 用三角形拼成方形，在窗口上用方形绘成格子。
• 第三节: 实现游戏功能： 实现 Conway 游戏

最后的源代码可以在 GitHub 上获得，每一节的末尾有个回顾，包含该节相关的代码。如果有什么不清楚的地方或者是你感到疑惑的，看看每一节末尾的完整代码。

现在就开始吧！

安装 OpenGL 和 GLFW

我们介绍过 OpenGL，但是为了使用它，我们要有个窗口可以绘制东西。 GLFW 是一款用于 OpenGL 的跨平台 API，允许我们创建并使用窗口，而且它也是 go-gl 套件中提供的。

我们要做的第一件事就是确定 OpenGL 的版本。为了方便本教程，我们将会使用 OpenGL v4.1，但要是你的操作系统不支持最新的 OpenGL，你也可以用 v2.1。要安装 OpenGL，我们需要做这些事：

1. #对于OpenGL4.1
2. $ go get github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl
3. #或者2.1
4. $ go get github.com/go-gl/gl/v2.1/gl

然后是安装 GLFW：

1. $ go get github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw

安装好这两个包之后，我们就可以开始了！先创建 main.go 文件，导入相应的包（我们待会儿会用到的其它东西）。

1. package main
2. import(
3. "log"
4. "runtime"
5. "github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl"// OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
6. "github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
7. )

接下来定义一个叫做 main 的函数，这是用来初始化 OpenGL 以及 GLFW，并显示窗口的：

1. const(
2. width =500
3. height =500
4. )
5. func main(){
6. runtime.LockOSThread()
7. window := initGlfw()
8. defer glfw.Terminate()
9. for!window.ShouldClose(){
10. // TODO
11. }
12. }
13. // initGlfw 初始化 glfw 并且返回一个可用的窗口。
14. func initGlfw()*glfw.Window{
15. if err := glfw.Init(); err !=nil{
16. panic(err)
17. }
18. glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
19. glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor,4)// OR 2
20. glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor,1)
21. glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
22. glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)
23. window, err := glfw.CreateWindow(width, height,"Conway's Game of Life",nil,nil)
24. if err !=nil{
25. panic(err)
26. }
27. window.MakeContextCurrent()
28. return window
29. }

好了，让我们花一分钟来运行一下这个程序，看看会发生什么。首先定义了一些常量， width 和 height —— 它们决定窗口的像素大小。

然后就是 main 函数。这里我们使用了 runtime 包的 LockOSThread()，这能确保我们总是在操作系统的同一个线程中运行代码，这对 GLFW 来说很重要，GLFW 需要在其被初始化之后的线程里被调用。讲完这个，接下来我们调用 initGlfw 来获得一个窗口的引用，并且推迟（defer）其终止。窗口的引用会被用在一个 for 循环中，只要窗口处于打开的状态，就执行某些事情。我们待会儿会讲要做的事情是什么。

initGlfw 是另一个函数，这里我们调用 glfw.Init() 来初始化 GLFW 包。然后我们定义了 GLFW 的一些全局属性，包括禁用调整窗口大小和改变 OpenGL 的属性。然后创建了 glfw.Window，这会在稍后的绘图中用到。我们仅仅告诉它我们想要的宽度和高度，以及标题，然后调用 window.MakeContextCurrent，将窗口绑定到当前的线程中。最后就是返回窗口的引用了。

如果你现在就构建、运行这个程序，你看不到任何东西。很合理，因为我们还没有用这个窗口做什么实质性的事。

定义一个新函数，初始化 OpenGL，就可以解决这个问题：

1. // initOpenGL 初始化 OpenGL 并且返回一个初始化了的程序。
2. func initOpenGL() uint32 {
3. if err := gl.Init(); err !=nil{
4. panic(err)
5. }
6. version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
7. log.Println("OpenGL version", version)
8. prog := gl.CreateProgram()
9. gl.LinkProgram(prog)
10. return prog
11. }

initOpenGL 就像之前的 initGlfw 函数一样，初始化 OpenGL 库，创建一个程序program。“程序”是一个包含了着色器shader的引用，稍后会用着色器shader绘图。待会儿会讲这一点，现在只用知道 OpenGL 已经初始化完成了，我们有一个程序的引用。我们还打印了 OpenGL 的版本，可以用于之后的调试。

回到 main 函数里，调用这个新函数：

1. func main(){
2. runtime.LockOSThread()
3. window := initGlfw()
4. defer glfw.Terminate()
5. program := initOpenGL()
6. for!window.ShouldClose(){
7. draw(window, program)
8. }
9. }

你应该注意到了现在我们有 program 的引用，在我们的窗口循环中，调用新的 draw 函数。最终这个函数会绘制出所有细胞，让游戏状态变得可视化，但是现在它做的仅仅是清除窗口，所以我们只能看到一个全黑的屏幕：

1. func draw(window *glfw.Window, program uint32){
2. gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
3. gl.UseProgram(prog)
4. glfw.PollEvents()
5. window.SwapBuffers()
6. }

我们首先做的是调用 gl.clear 函数来清除上一帧在窗口中绘制的东西，给我们一个干净的面板。然后我们告诉 OpenGL 去使用我们的程序引用，这个引用还没有做什么事。最终我们告诉 GLFW 用 PollEvents 去检查是否有鼠标或者键盘事件（这一节里还不会对这些事件进行处理），告诉窗口去交换缓冲区 SwapBuffers。 交换缓冲区 很重要，因为 GLFW（像其他图形库一样）使用双缓冲，也就是说你绘制的所有东西实际上是绘制到一个不可见的画布上，当你准备好进行展示的时候就把绘制的这些东西放到可见的画布中 —— 这种情况下，就需要调用 SwapBuffers 函数。

好了，到这里我们已经讲了很多东西，花一点时间看看我们的实验成果。运行这个程序，你应该可以看到你所绘制的第一个东西：

Conway's Game of Life - 第一个窗口

完美！

在窗口里绘制三角形

我们已经完成了一些复杂的步骤，即使看起来不多，但我们仍然需要绘制一些东西。我们会以三角形绘制开始，可能这第一眼看上去要比我们最终要绘制的方形更难，但你会知道这样的想法是错的。你可能不知道的是三角形或许是绘制的图形中最简单的，实际上我们最终会用某种方式把三角形拼成方形。

好吧，那么我们想要绘制一个三角形，怎么做呢？我们通过定义图形的顶点来绘制图形，把它们交给 OpenGL 来进行绘制。先在 main.go 的顶部里定义我们的三角形：

1. var(
2. triangle =[]float32{
3. 0,0.5,0,// top
4. -0.5,-0.5,0,// left
5. 0.5,-0.5,0,// right
6. }
7. )

这看上去很奇怪，让我们分开来看。首先我们用了一个 float32 切片slice，这是一种我们总会在向 OpenGL 传递顶点时用到的数据类型。这个切片包含 9 个值，每三个值构成三角形的一个点。第一行， 0, 0.5, 0 表示的是 X、Y、Z 坐标，是最上方的顶点，第二行是左边的顶点，第三行是右边的顶点。每一组的三个点都表示相对于窗口中心点的 X、Y、Z 坐标，大小在 -1 和 1 之间。因此最上面的顶点 X 坐标是 0，因为它在 X 方向上位于窗口中央，Y 坐标是 0.5 意味着它会相对窗口中央上移 1/4 个单位（因为窗口的范围是 -1 到 1），Z 坐标是 0。因为我们只需要在二维空间中绘图，所以 Z 值永远是 0。现在看一看左右两边的顶点，看看你能不能理解为什么它们是这样定义的 —— 如果不能立刻就弄清楚也没关系，我们将会在屏幕上去观察它，因此我们需要一个完美的图形来进行观察。

好了，我们定义了一个三角形，但是现在我们得把它画出来。要画出这个三角形，我们需要一个叫做顶点数组对象Vertex Array Object或者叫 vao 的东西，这是由一系列的点（也就是我们定义的三角形）创造的，这个东西可以提供给 OpenGL 来进行绘制。创建一个叫做 makeVao 的函数，然后我们可以提供一个点的切片，让它返回一个指向 OpenGL 顶点数组对象的指针：

1. // makeVao 执行初始化并从提供的点里面返回一个顶点数组
2. func makeVao(points []float32) uint32 {
3. var vbo uint32
4. gl.GenBuffers(1,&vbo)
5. gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
6. gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER,4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)
7. var vao uint32
8. gl.GenVertexArrays(1,&vao)
9. gl.BindVertexArray(vao)
10. gl.EnableVertexAttribArray(0)
11. gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
12. gl.VertexAttribPointer(0,3, gl.FLOAT,false,0,nil)
13. return vao
14. }

首先我们创造了顶点缓冲区对象Vertex Buffer Object 或者说 vbo 绑定到我们的 vao 上，vbo 是通过所占空间（也就是 4 倍 len(points) 大小的空间）和一个指向顶点的指针（gl.Ptr(points)）来创建的。你也许会好奇为什么它是 4 倍 —— 而不是 6 或者 3 或者 1078 呢？原因在于我们用的是 float32 切片，32 个位的浮点型变量是 4 个字节，因此我们说这个缓冲区以字节为单位的大小是点个数的 4 倍。

现在我们有缓冲区了，可以创建 vao 并用 gl.BindBuffer 把它绑定到缓冲区上，最后返回 vao。这个 vao 将会被用于绘制三角形！

回到 main 函数：

1. func main(){
2. ...
3. vao := makeVao(triangle)
4. for!window.ShouldClose(){
5. draw(vao, window, program)
6. }
7. }
8. 这里我们调用了`makeVao`，从我们之前定义的`triangle`顶点中获得`vao`引用，将它作为一个新的参数传递给`draw`函数：
9. func draw(vao uint32, window *glfw.Window, program uint32){
10. gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
11. gl.UseProgram(program)
12. gl.BindVertexArray(vao)
13. gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES,0, int32(len(triangle)/3))
14. glfw.PollEvents()
15. window.SwapBuffers()
16. }

然后我们把 OpenGL 绑定到 vao 上，这样当我们告诉 OpenGL 三角形切片的顶点数（除以 3，是因为每一个点有 X、Y、Z 坐标），让它去 DrawArrays ，它就知道要画多少个顶点了。

如果你这时候运行程序，你可能希望在窗口中央看到一个美丽的三角形，但是不幸的是你还看不到。还有一件事情没做，我们告诉 OpenGL 我们要画一个三角形，但是我们还要告诉它怎么画出来。

要让它画出来，我们需要叫做片元着色器fragment shader和顶点着色器vertex shader的东西，这些已经超出本教程的范围了（老实说，也超出了我对 OpenGL 的了解），但 Harold Serrano 在 Quora 上对对它们是什么给出了完美的介绍。我们只需要理解，对于这个应用来说，着色器是它内部的小程序（用 OpenGL Shader Language 或 GLSL 编写的），它操作顶点进行绘制，也可用于确定图形的颜色。

添加两个 import 和一个叫做 compileShader 的函数：

1. import(
2. "strings"
3. "fmt"
4. )
5. func compileShader(source string, shaderType uint32)(uint32, error){
6. shader := gl.CreateShader(shaderType)
7. csources, free := gl.Strs(source)
8. gl.ShaderSource(shader,1, csources,nil)
9. free()
10. gl.CompileShader(shader)
11. var status int32
12. gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS,&status)
13. if status == gl.FALSE {
14. var logLength int32
15. gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH,&logLength)
16. log :=strings.Repeat("\x00",int(logLength+1))
17. gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength,nil, gl.Str(log))
18. return0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
19. }
20. return shader,nil
21. }

这个函数的目的是以字符串的形式接受着色器源代码和它的类型，然后返回一个指向这个编译好的着色器的指针。如果编译失败，我们就会获得出错的详细信息。

现在定义着色器，在 makeProgram 里编译。回到我们的 const 块中，我们在这里定义了 width 和 hegiht。

1. vertexShaderSource =`
2. #version 410
3. in vec3 vp;
4. void main() {
5. gl_Position = vec4(vp, 1.0);
6. }
7. `+"\x00"
8. fragmentShaderSource =`
9. #version 410
10. out vec4 frag_colour;
11. void main() {
12. frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1);
13. }
14. `+"\x00"

如你所见，这是两个包含了 GLSL 源代码字符串的着色器，一个是顶点着色器vertex shader，另一个是片元着色器fragment shader。唯一比较特殊的地方是它们都要在末尾加上一个空终止字符，\x00 —— OpenGL 需要它才能编译着色器。注意 fragmentShaderSource，这是我们用 RGBA 形式的值通过 vec4 来定义我们图形的颜色。你可以修改这里的值来改变这个三角形的颜色，现在的值是 RGBA(1, 1, 1, 1) 或者说是白色。

同样需要注意的是这两个程序都是运行在 #version 410 版本下，如果你用的是 OpenGL 2.1，那你也可以改成 #version 120。这里 120 不是打错的，如果你用的是 OpenGL 2.1，要用 120 而不是 210！

接下来在 initOpenGL 中我们会编译着色器，把它们附加到我们的 program 中。

1. func initOpenGL() uint32 {
2. if err := gl.Init(); err !=nil{
3. panic(err)
4. }
5. version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
6. log.Println("OpenGL version", version)
7. vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
8. if err !=nil{
9. panic(err)
10. }
11. fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
12. if err !=nil{
13. panic(err)
14. }
15. prog := gl.CreateProgram()
16. gl.AttachShader(prog, vertexShader)
17. gl.AttachShader(prog, fragmentShader)
18. gl.LinkProgram(prog)
19. return prog
20. }

这里我们用顶点着色器（vertexShader）调用了 compileShader 函数，指定它的类型是 gl.VERTEX_SHADER，对片元着色器（fragmentShader）做了同样的事情，但是指定的类型是 gl.FRAGMENT_SHADER。编译完成后，我们把它们附加到程序中，调用 gl.AttachShader，传递程序（prog）以及编译好的着色器作为参数。

现在我们终于可以看到我们漂亮的三角形了！运行程序，如果一切顺利的话你会看到这些：

Conway's Game of Life - Hello, Triangle!

总结

是不是很惊喜！这些代码画出了一个三角形，但我保证我们已经完成了大部分的 OpenGL 代码，在接下来的章节中我们还会用到这些代码。我十分推荐你花几分钟修改一下代码，看看你能不能移动三角形，改变三角形的大小和颜色。OpenGL 可以令人心生畏惧，有时想要理解发生了什么很困难，但是要记住，这不是魔法 - 它只不过看上去像魔法。

下一节里我们讲会用两个锐角三角形拼出一个方形 - 看看你能不能在进入下一节前试着修改这一节的代码。不能也没有关系，因为我们在 第二节 还会编写代码， 接着创建一个有许多方形的格子，我们把它当做游戏面板。

最后，在第三节 里我们会用格子来实现 Conway’s Game of Life！

回顾

本教程 main.go 文件的内容如下：

1. package main
2. import(
3. "fmt"
4. "log"
5. "runtime"
6. "strings"
7. "github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl"// OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
8. "github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
9. )
10. const(
11. width =500
12. height =500
13. vertexShaderSource =`
14. #version 410
15. in vec3 vp;
16. void main() {
17. gl_Position = vec4(vp, 1.0);
18. }
19. `+"\x00"
20. fragmentShaderSource =`
21. #version 410
22. out vec4 frag_colour;
23. void main() {
24. frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1.0);
25. }
26. `+"\x00"
27. )
28. var(
29. triangle =[]float32{
30. 0,0.5,0,
31. -0.5,-0.5,0,
32. 0.5,-0.5,0,
33. }
34. )
35. func main(){
36. runtime.LockOSThread()
37. window := initGlfw()
38. defer glfw.Terminate()
39. program := initOpenGL()
40. vao := makeVao(triangle)
41. for!window.ShouldClose(){
42. draw(vao, window, program)
43. }
44. }
45. func draw(vao uint32, window *glfw.Window, program uint32){
46. gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
47. gl.UseProgram(program)
48. gl.BindVertexArray(vao)
49. gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES,0, int32(len(triangle)/3))
50. glfw.PollEvents()
51. window.SwapBuffers()
52. }
53. // initGlfw 初始化 glfw 并返回一个窗口供使用。
54. func initGlfw()*glfw.Window{
55. if err := glfw.Init(); err !=nil{
56. panic(err)
57. }
58. glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
59. glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor,4)
60. glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor,1)
61. glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
62. glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)
63. window, err := glfw.CreateWindow(width, height,"Conway's Game of Life",nil,nil)
64. if err !=nil{
65. panic(err)
66. }
67. window.MakeContextCurrent()
68. return window
69. }
70. // initOpenGL 初始化 OpenGL 并返回一个已经编译好的着色器程序
71. func initOpenGL() uint32 {
72. if err := gl.Init(); err !=nil{
73. panic(err)
74. }
75. version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
76. log.Println("OpenGL version", version)
77. vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
78. if err !=nil{
79. panic(err)
80. }
81. fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
82. if err !=nil{
83. panic(err)
84. }
85. prog := gl.CreateProgram()
86. gl.AttachShader(prog, vertexShader)
87. gl.AttachShader(prog, fragmentShader)
88. gl.LinkProgram(prog)
89. return prog
90. }
91. // makeVao 执行初始化并从提供的点里面返回一个顶点数组
92. func makeVao(points []float32) uint32 {
93. var vbo uint32
94. gl.GenBuffers(1,&vbo)
95. gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
96. gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER,4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)
97. var vao uint32
98. gl.GenVertexArrays(1,&vao)
99. gl.BindVertexArray(vao)
100. gl.EnableVertexAttribArray(0)
101. gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
102. gl.VertexAttribPointer(0,3, gl.FLOAT,false,0,nil)
103. return vao
104. }
105. func compileShader(source string, shaderType uint32)(uint32, error){
106. shader := gl.CreateShader(shaderType)
107. csources, free := gl.Strs(source)
108. gl.ShaderSource(shader,1, csources,nil)
109. free()
110. gl.CompileShader(shader)
111. var status int32
112. gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS,&status)
113. if status == gl.FALSE {
114. var logLength int32
115. gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH,&logLength)
116. log :=strings.Repeat("\x00",int(logLength+1))
117. gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength,nil, gl.Str(log))
118. return0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
119. }
120. return shader,nil
121. }

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