OpenGL 与 Go 教程（二）绘制游戏面板

2017-10-07

6分钟阅读时长

软件开发

这篇教程的所有源代码都可以在 GitHub 上找到。

欢迎回到《OpenGL 与 Go 教程》。如果你还没有看过第一节，那就要回过头去看看那一节。

你现在应该能够创造一个漂亮的白色三角形，但我们不会把三角形当成我们游戏的基本单元，是时候把三角形变成正方形了，然后我们会做出一个完整的方格。

让我们现在开始做吧！

利用三角形绘制方形

在我们绘制方形之前，先把三角形变成直角三角形。打开 main.go 文件，把 triangle 的定义改成像这个样子：

triangle = []float32{
    -0.5, 0.5, 0,
    -0.5, -0.5, 0,
    0.5, -0.5, 0,
}

我们做的事情是，把最上面的顶点 X 坐标移动到左边（也就是变为 -0.5），这就变成了像这样的三角形：

Conway’s Game of Life - 右弦三角形

很简单，对吧？现在让我们用两个这样的三角形顶点做成正方形。把 triangle 重命名为 square，然后添加第二个倒置的三角形的顶点数据，把直角三角形变成这样的：

square = []float32{
    -0.5, 0.5, 0,
    -0.5, -0.5, 0,
    0.5, -0.5, 0,

    -0.5, 0.5, 0,
    0.5, 0.5, 0,
    0.5, -0.5, 0,
}

注意：你也要把在 main 和 draw 里面命名的 triangle 改为 square。

我们通过添加三个顶点，把顶点数增加了一倍，这三个顶点就是右上角的三角形，用来拼成方形。运行它看看效果：

Conway’s Game of Life - 两个三角形构成方形

很好，现在我们能够绘制正方形了！OpenGL 一点都不难，对吧？

在窗口中绘制方形格子

现在我们能画一个方形，怎么画 100 个吗？我们来创建一个 cell 结构体，用来表示格子的每一个单元，因此我们能够很灵活的选择绘制的数量：

type cell struct {
    drawable uint32

    x int
    y int
}

cell 结构体包含一个 drawable 属性，这是一个顶点数组对象，就像我们在之前创建的一样，这个结构体还包含 X 和 Y 坐标，用来表示这个格子的位置。

我们还需要两个常量，用来设定格子的大小和形状：

const (
    ...

    rows = 10
    columns = 10
)

现在我们添加一个创建格子的函数：

func makeCells() [][]*cell {
    cells := make([][]*cell, rows, rows)
    for x := 0; x < rows; x++ {
        for y := 0; y < columns; y++ {
            c := newCell(x, y)
            cells[x] = append(cells[x], c)
        }
    }

    return cells
}

这里我们创建多维的切片 slice ，代表我们的游戏面板，用名为 newCell 的新函数创建的 cell 来填充矩阵的每个元素，我们待会就来实现 newCell 这个函数。

在接着往下阅读前，我们先花一点时间来看看 makeCells 函数做了些什么。我们创造了一个切片，这个切片的长度和格子的行数相等，每一个切片里面都有一个细胞 cell 的切片，这些细胞的数量与列数相等。如果我们把 rows 和 columns 都设定成 2，那么就会创建如下的矩阵：

[
    [cell, cell],
    [cell, cell]
]

还可以创建一个更大的矩阵，包含 10x10 个细胞：

[
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell],
    [cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell, cell]
]

现在应该理解了我们创造的矩阵的形状和表示方法。让我们看看 newCell 函数到底是怎么填充矩阵的：

func newCell(x, y int) *cell {
    points := make([]float32, len(square), len(square))
    copy(points, square)

    for i := 0; i < len(points); i++ {
        var position float32
        var size float32
        switch i % 3 {
        case 0:
                size = 1.0 / float32(columns)
                position = float32(x) * size
        case 1:
                size = 1.0 / float32(rows)
                position = float32(y) * size
        default:
                continue
        }

        if points[i] < 0 {
                points[i] = (position * 2) - 1
        } else {
                points[i] = ((position + size) * 2) - 1
        }
    }

    return &cell{
        drawable: makeVao(points),

        x: x,
        y: y,
    }
}

这个函数里有很多内容，我们把它分成几个部分。我们做的第一件事是复制了 square 的定义。这让我们能够修改该定义，定制当前的细胞位置，而不会影响其它使用 square 切片定义的细胞。然后我们基于当前索引迭代 points 副本。我们用求余数的方法来判断我们是在操作 X 坐标（i % 3 == 0），还是在操作 Y 坐标（i % 3 == 1）（跳过 Z 坐标是因为我们仅在二维层面上进行操作），跟着确定细胞的大小（也就是占据整个游戏面板的比例），当然它的位置是基于细胞在 相对游戏面板的 X 和 Y 坐标。

接着，我们改变那些包含在 square 切片中定义的 0.5，0， -0.5 这样的点。如果点小于 0，我们就把它设置成原来的 2 倍（因为 OpenGL 坐标的范围在 -1 到 1 之间，范围大小是 2），减 1 是为了归一化 OpenGL 坐标。如果点大于等于 0，我们的做法还是一样的，不过要加上我们计算出的尺寸。

这样做是为了设置每个细胞的大小，这样它就能只填充它在面板中的部分。因为我们有 10 行 10 列，每一个格子能分到游戏面板的 10% 宽度和高度。

最后，确定了所有点的位置和大小，我们用提供的 X 和 Y 坐标创建一个 cell，并设置 drawable 字段与我们刚刚操作 points 得到的顶点数组对象（vao）一致。

好了，现在我们在 main 函数里可以移去对 makeVao 的调用了，用 makeCells 代替。我们还修改了 draw，让它绘制一系列的细胞而不是一个 vao。

func main() {
    ...

    // vao := makeVao(square)
    cells := makeCells()

    for !window.ShouldClose() {
        draw(cells, window, program)
    }
}

func draw(cells [][]*cell, window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(program)

    // TODO

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

现在我们要让每个细胞知道怎么绘制出自己。在 cell 里面添加一个 draw 函数：

func (c *cell) draw() {
    gl.BindVertexArray(c.drawable)
    gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(square) / 3))
}

这看上去很熟悉，它很像我们之前在 vao 里写的 draw，唯一的区别是我们的 BindVertexArray 函数用的是 c.drawable，这是我们在 newCell 中创造的细胞的 vao。

回到 main 中的 draw 函数上，我们可以循环每个细胞，让它们自己绘制自己：

func draw(cells [][]*cell, window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(program)

    for x := range cells {
        for _, c := range cells[x] {
            c.draw()
        }
    }

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

如你所见，我们循环每一个细胞，调用它的 draw 函数。如果运行这段代码，你能看到像下面这样的东西：

Conway’s Game of Life - 全部格子

这是你想看到的吗？我们做的是在格子里为每一行每一列创建了一个方块，然后给它上色，这就填满了整个面板！

注释掉 for 循环，我们就可以看到一个明显独立的细胞，像这样：

// for x := range cells {
//     for _, c := range cells[x] {
//         c.draw()
//     }
// }

cells[2][3].draw()

Conway’s Game of Life - 一个单独的细胞

这只绘制坐标在 (X=2, Y=3) 的格子。你可以看到，每一个独立的细胞占据着面板的一小块部分，并且负责绘制自己那部分空间。我们也能看到游戏面板有自己的原点，也就是坐标为 (X=0, Y=0) 的点，在窗口的左下方。这仅仅是我们的 newCell 函数计算位置的方式，也可以用右上角，右下角，左上角，中央，或者其它任何位置当作原点。

接着往下做，移除 cells[2][3].draw() 这一行，取消 for 循环的那部分注释，变成之前那样全部绘制的样子。

总结

好了，我们现在能用两个三角形画出一个正方形了，我们还有一个游戏的面板了！我们该为此自豪，目前为止我们已经接触到了很多零碎的内容，老实说，最难的部分还在前面等着我们！

在接下来的第三节，我们会实现游戏核心逻辑，看到很酷的东西！

回顾

这是这一部分教程中 main.go 文件的内容：

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "runtime"
    "strings"

    "github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl" // OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
    "github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
)

const (
    width  = 500
    height = 500

    vertexShaderSource = `
        #version 410
        in vec3 vp;
        void main() {
            gl_Position = vec4(vp, 1.0);
        }
    ` + "\x00"

    fragmentShaderSource = `
        #version 410
        out vec4 frag_colour;
        void main() {
            frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1.0);
        }
    ` + "\x00"

    rows    = 10
    columns = 10
)

var (
    square = []float32{
        -0.5, 0.5, 0,
        -0.5, -0.5, 0,
        0.5, -0.5, 0,

        -0.5, 0.5, 0,
        0.5, 0.5, 0,
        0.5, -0.5, 0,
    }
)

type cell struct {
    drawable uint32

    x int
    y int
}

func main() {
    runtime.LockOSThread()

    window := initGlfw()
    defer glfw.Terminate()
    program := initOpenGL()

    cells := makeCells()
    for !window.ShouldClose() {
        draw(cells, window, program)
    }
}

func draw(cells [][]*cell, window *glfw.Window, program uint32) {
    gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.UseProgram(program)

    for x := range cells {
        for _, c := range cells[x] {
            c.draw()
        }
    }

    glfw.PollEvents()
    window.SwapBuffers()
}

func makeCells() [][]*cell {
    cells := make([][]*cell, rows, rows)
    for x := 0; x < rows; x++ {
        for y := 0; y < columns; y++ {
            c := newCell(x, y)
            cells[x] = append(cells[x], c)
        }
    }

    return cells
}

func newCell(x, y int) *cell {
    points := make([]float32, len(square), len(square))
    copy(points, square)

    for i := 0; i < len(points); i++ {
        var position float32
        var size float32
        switch i % 3 {
        case 0:
            size = 1.0 / float32(columns)
            position = float32(x) * size
        case 1:
            size = 1.0 / float32(rows)
            position = float32(y) * size
        default:
            continue
        }

        if points[i] < 0 {
            points[i] = (position * 2) - 1
        } else {
            points[i] = ((position + size) * 2) - 1
        }
    }

    return &cell{
        drawable: makeVao(points),

        x: x,
        y: y,
    }
}

func (c *cell) draw() {
    gl.BindVertexArray(c.drawable)
    gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(square)/3))
}

// 初始化 glfw，返回一个可用的 Window
func initGlfw() *glfw.Window {
    if err := glfw.Init(); err != nil {
        panic(err)
    }
    glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor, 4)
    glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor, 1)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
    glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)

    window, err := glfw.CreateWindow(width, height, "Conway's Game of Life", nil, nil)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    window.MakeContextCurrent()

    return window
}

// 初始化 OpenGL 并返回一个可用的着色器程序
func initOpenGL() uint32 {
    if err := gl.Init(); err != nil {
        panic(err)
    }
    version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
    log.Println("OpenGL version", version)

    vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    prog := gl.CreateProgram()
    gl.AttachShader(prog, vertexShader)
    gl.AttachShader(prog, fragmentShader)
    gl.LinkProgram(prog)
    return prog
}

// 初始化并返回由 points 提供的顶点数组
func makeVao(points []float32) uint32 {
    var vbo uint32
    gl.GenBuffers(1, &vbo)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER, 4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)

    var vao uint32
    gl.GenVertexArrays(1, &vao)
    gl.BindVertexArray(vao)
    gl.EnableVertexAttribArray(0)
    gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
    gl.VertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, nil)

    return vao
}

func compileShader(source string, shaderType uint32) (uint32, error) {
    shader := gl.CreateShader(shaderType)

    csources, free := gl.Strs(source)
    gl.ShaderSource(shader, 1, csources, nil)
    free()
    gl.CompileShader(shader)

    var status int32
    gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS, &status)
    if status == gl.FALSE {
        var logLength int32
        gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH, &logLength)

        log := strings.Repeat("\x00", int(logLength+1))
        gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength, nil, gl.Str(log))

        return 0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
    }

    return shader, nil
}

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作者：kylewbanks 译者：GitFtuture 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国荣誉推出

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利用三角形绘制方形

在窗口中绘制方形格子

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