[software development] 【转发】Qt中的OpenGL技术分享

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yanjuner

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2023-10-21 00:54

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周末要来啦~给大家分享点儿干货

周末也要继续学习啊！

《Qt中的OpenGL技术调研：探索交互式图形编程》

引言

在当今数字化时代，图形编程在各个领域中起着重要作用，无论是游戏开发、数据可视化还是虚拟现实等应用领域。而OpenGL作为一种强大的跨平台图形编程接口，已经成为许多开发人员首选的工具。而在构建现代图形应用时，结合Qt框架与OpenGL技术的结合也变得越来越重要。

1.1 规范与优势

在计算机图形界面中，API（应用程序接口）代表一组可供我们调用的函数，用于执行各种任务。其中，OpenGL（Open Graphics Library）作为一种图形API，允许我们进行各种与图形相关的操作，并具有特殊功能。通过OpenGL，我们可以访问GPU（图形处理器），即显卡的图像处理单元，从而实现高效的图形渲染。在计算机和其他设备中，强大的图形处理器已成为实现优秀图形性能的重要组成部分。为了与显卡交互，我们需要调用一些API。

OpenGL是一种规范，允许我们控制显卡以实现图形处理。许多人将其称为库、引擎或其他类似的术语，但实际上，它本身并不是一个具体的实现，而是一种规范。类似于C++规范，OpenGL并不包含任何具体的代码或类定义，它只是描述了应该存在的函数、所需的参数以及返回的值。它以一种模糊的方式定义了实现的方法，而没有提供具体的代码实现。因此，OpenGL不是一个库，而是一种规范。

对于想要使用OpenGL的人来说，一个常见的误解是需要下载OpenGL本身。实际上，你不需要真正下载OpenGL，因为它本身只是一种规范。那么，谁来实现这个规范呢？答案是显卡制造商。显卡制造商负责实现OpenGL的功能。这也可能导致人们错误地认为OpenGL是开源的，但实际上它只是一种规范，而非具体的代码实现。

由于OpenGL是跨平台的，你编写的OpenGL代码可以在各种操作系统上正常运行，这是它的一个重要优势。与Direct3D相比，OpenGL能够在所有平台上运行，这使得人们普遍认为OpenGL更值得学习。关于屏幕显示或窗口管理方面，OpenGL并不直接处理此类任务。它主要关注图形渲染和处理。屏幕显示和窗口管理通常由操作系统或其他窗口管理系统来处理。你可以使用OpenGL与屏幕显示进行交互，但具体的窗口创建和管理通常是由操作系统的窗口系统提供的功能来完成。

1.2 目标和范围

本调研的目标是提供关于在Qt中使用OpenGL进行图形编程的全面认识。我们将介绍OpenGL的基础知识，包括渲染流程、渲染管线和着色器语言，并探讨在Qt中应用这些知识的方法。我们还将研究Qt中与OpenGL集成的核心功能，如顶点缓冲对象、纹理映射和帧缓冲对象等。此外，我们将深入探讨Qt中的高级OpenGL技术，如几何着色器、计算着色器、法线贴图和阴影技术等。

调研的范围将涵盖Qt中与OpenGL集成的基础知识、核心功能和高级技术。我们将重点介绍如何在Qt应用程序中使用OpenGL进行图形编程，以及如何利用Qt框架的功能和工具来简化和增强OpenGL开发体验。

1.3 调研方法

本调研将采用多种方法来获取相关信息和知识。我们将进行文献研究，参考权威的书籍、学术论文和在线资源，以深入了解Qt与OpenGL的集成以及相关的技术和最佳实践。此外，我们将进行实验和案例研究，通过编写代码示例和应用程序来验证和展示所讨论的技术和方法。同时，我们将与开发者社区和专业人士进行交流，借鉴他们的经验和见解。

通过综合这些调研方法，我们将全面了解在Qt中应用OpenGL的技术和方法，并为读者提供一个清晰的指南，以便他们在自己的项目中有效地应用这些技术。

OpenGL与Qt集成

2.1 Qt中的OpenGL模块

Qt是一个功能强大且跨平台的应用程序开发框架，它提供了一系列与图形和用户界面相关的模块。其中，Qt中的OpenGL模块为开发者提供了与OpenGL集成的工具和接口。这个模块使得在Qt应用程序中直接使用和控制OpenGL变得更加容易。
当使用Qt开发应用程序时，Qt中的OpenGL模块可以帮助开发者实现高性能的图形渲染和处理。Qt中的OpenGL模块包括：

2.1.1 QOpenGLWidget类

QOpenGLWidget是一个QWidget派生类，它可以在Qt应用程序中创建一个OpenGL窗口，用于显示OpenGL图形。QOpenGLWidget类封装了OpenGL上下文的创建、管理和绘制，使得开发者可以通过继承QOpenGLWidget类来实现自定义OpenGL窗口，并在窗口中进行OpenGL渲染和处理。QOpenGLWidget类还提供了一些方便的函数，如update()函数，用于刷新OpenGL窗口。

2.1.2 QOpenGLFunctions类

QOpenGLFunctions类提供了对OpenGL函数的封装和访问。通过继承自QOpenGLFunctions的自定义类，开发者可以在Qt应用程序中直接使用OpenGL函数，实现高级的图形效果。QOpenGLFunctions类包含了OpenGL ES和OpenGL Core Profile的所有函数，开发者可以根据需要选择使用。使用QOpenGLFunctions类可以方便地在不同的OpenGL上下文之间共享OpenGL函数。

2.1.3 QOpenGLVertexArrayObject类

QOpenGLVertexArrayObject类封装了OpenGL中的顶点数组对象（VAO），用于管理和绑定顶点数据。通过使用QOpenGLVertexArrayObject类，开发者可以方便地处理顶点数据，实现高效的图形绘制。QOpenGLVertexArrayObject类还提供了一些方便的函数，如create()、bind()、release()等函数，用于创建、绑定和释放顶点数组对象。

2.1.4 QOpenGLBuffer类

QOpenGLBuffer类封装了OpenGL中的缓冲区对象（Buffer Object），用于管理和绑定缓冲区数据。通过使用QOpenGLBuffer类，开发者可以方便地处理缓冲区数据，实现高效的图形绘制。QOpenGLBuffer类还提供了一些方便的函数，如create()、bind()、release()等函数，用于创建、绑定和释放缓冲区对象。

2.1.5 QOpenGLShaderProgram类

QOpenGLShaderProgram类提供了对OpenGL着色器程序的封装和管理。使用它可以方便地编译、链接和使用顶点和片段着色器程序，实现高级的图形效果。QOpenGLShaderProgram类还提供了一些方便的函数，如addShader()、link()、bind()、release()等函数，用于添加、链接、绑定和释放着色器程序。

2.1.6 QOpenGLTexture类

QOpenGLTexture类封装了OpenGL中的纹理对象（Texture Object），用于管理和绑定纹理数据。通过使用QOpenGLTexture类，开发者可以方便地处理纹理数据，实现高效的图形绘制。QOpenGLTexture类还提供了一些方便的函数，如create()、bind()、release()等函数，用于创建、绑定和释放纹理对象。

除了以上所述的类，Qt中的OpenGL模块还包括了QOpenGLFramebufferObject、QSurfaceFormat、QOpenGLDebugLogger等类，这些类都可以帮助开发者更方便、更高效地使用和控制OpenGL。

2.2 QOpenGLWidget类的介绍

在Qt中，QOpenGLWidget类是用于在Qt窗口中嵌入OpenGL场景的主要类之一。它继承自QWidget类，并提供了一个OpenGL上下文，允许我们在窗口中进行OpenGL绘制。通过继承QOpenGLWidget类，我们可以创建自定义的OpenGL窗口，并实现与OpenGL相关的功能。

2.3 Qt与OpenGL的交互方式

Qt提供了多种方式来与OpenGL进行交互，以满足不同的需求和应用场景。以下是一些常见的Qt与OpenGL的交互方式：

1、使用QOpenGLWidget：通过创建继承自QOpenGLWidget的自定义窗口类，我们可以在窗口中直接进行OpenGL绘制，并处理与用户交互相关的事件。

2、使用QOpenGLFunctions：QOpenGLFunctions类提供了对OpenGL函数的封装和访问。我们可以通过继承QOpenGLFunctions类或将其作为成员变量添加到我们的类中，来调用和执行OpenGL函数。

3、使用QOpenGLVertexArrayObject和QOpenGLBuffer：这些类提供了用于管理OpenGL顶点数组对象和缓冲区对象的功能。我们可以使用它们来管理和操作顶点数据，以供OpenGL渲染使用。

4、使用QOpenGLShaderProgram：QOpenGLShaderProgram类提供了对OpenGL着色器程序的封装和管理。通过使用它，我们可以方便地编译、链接和使用顶点和片段着色器，以实现高级的图形效果。

5、使用Qt的信号和槽机制：Qt的信号和槽机制可以用于在Qt应用程序和OpenGL之间进行通信和数据传递。我们可以将OpenGL相关的事件和状态变化连接到Qt对象的槽函数，以实现灵活的交互和响应。

Qt中的OpenGL基础

通过Qt提供的OpenGL相关功能，我们可以轻松地在Qt应用程序中进行OpenGL渲染。理解OpenGL渲染流程、渲染管线和着色器编写是使用Qt进行高性能图形开发的重要基础。

3.1 OpenGL渲染流程在Qt中的应用

在Qt中使用OpenGL进行渲染时，遵循了常见的OpenGL渲染流程。首先，我们需要创建一个OpenGL上下文，并确保它与Qt的窗口系统进行正确的集成。然后，我们可以在渲染循环中执行以下步骤：清除画布、设置视口和投影矩阵、设置模型视图矩阵、绑定所需的顶点和着色器数据、执行绘制调用。最后，我们进行交换缓冲以显示渲染结果。

3.2 Qt中的OpenGL渲染管线

在Qt中，OpenGL渲染管线被封装在QOpenGLFunctions类中，它提供了对OpenGL函数的封装和访问。通过使用QOpenGLFunctions类，我们可以调用OpenGL的各个阶段，包括顶点着色器、几何着色器、片段着色器和固定功能管线。我们可以设置着色器程序、绑定和配置顶点数组对象和缓冲区对象，以及执行渲染调用。

3.3 使用Qt编写OpenGL着色器

在Qt中编写OpenGL着色器可以通过使用QOpenGLShaderProgram类来实现。QOpenGLShaderProgram封装了OpenGL着色器程序的创建、编译和链接过程。我们可以使用该类加载和编译顶点着色器和片段着色器，并将它们链接为一个着色器程序。

使用QOpenGLShaderProgram类编写着色器的步骤如下：

1、创建QOpenGLShaderProgram对象。
2、使用addShaderFromSourceCode()函数添加顶点着色器和片段着色器的源代码。
3、调用link()函数将顶点着色器和片段着色器链接为一个着色器程序。
4、如果链接成功，可以使用setUniformValue()函数设置uniform变量的值，使用setAttributeArray()函数设置顶点属性，使用bind()函数启用着色器程序。
5、在绘制调用之前，使用enableAttributeArray()函数启用顶点属性，并使用drawArrays()或drawElements()函数执行绘制调用。
6、在绘制完成后，使用release()函数释放着色器程序。
在编写着色器程序时，需要熟悉OpenGL着色器语言（GLSL），并了解如何编写顶点着色器和片段着色器代码。顶点着色器通常用于对顶点坐标进行变换和变形，而片段着色器则用于对每个像素进行颜色计算。

通过使用QOpenGLShaderProgram类，我们可以轻松实现自定义的OpenGL着色器程序，并实现高效的图形绘制。

Qt中的OpenGL功能

4.1 在Qt中使用顶点缓冲对象（VBO）

顶点缓冲对象（VBO）是一种在OpenGL中存储顶点数据的方法。它可以显著提高渲染性能，因为它可以将顶点数据存储在显存中，从而减少CPU和GPU之间的数据传输。
在Qt中，使用VBO需要以下步骤：

1、创建和绑定VBO：

  GLuint vbo;
  glGenBuffers(1, &vbo);
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);

2、将顶点数据复制到VBO中：

  GLfloat vertices[] = {...};
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

3、启用和指定顶点属性：

  GLint posAttr = program.attributeLocation("posAttr");
  glVertexAttribPointer(posAttr, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
  glEnableVertexAttribArray(posAttr);

4、渲染

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

完整代码示例

  GLuint vbo;
  glGenBuffers(1, &vbo);
  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);

  GLfloat vertices[] = {
      -0.5f, -0.5f,
      0.5f, -0.5f,
      0.0f,  0.5f
  };
  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

  GLint posAttr = program.attributeLocation("posAttr");
  glVertexAttribPointer(posAttr, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
  glEnableVertexAttribArray(posAttr);

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

4.2 在Qt中使用纹理映射

纹理映射是一种在OpenGL中将图像贴到3D模型表面的方法。在Qt中，可以使用QOpenGLTexture类来加载和绑定纹理。
以下是在Qt中使用纹理映射的步骤：
1、加载纹理图像：

  QImage image("texture.png");
  image = image.convertToFormat(QImage::Format_RGBA8888);

2、创建和绑定纹理对象：

  QOpenGLTexture texture(QOpenGLTexture::Target2D);
  texture.create();
  texture.bind();

3、设置纹理参数和数据：

  texture.setMinificationFilter(QOpenGLTexture::Linear);
  texture.setMagnificationFilter(QOpenGLTexture::Linear);
  texture.setWrapMode(QOpenGLTexture::Repeat);
  texture.setData(image.constBits(), image.width(), image.height(), QOpenGLTexture::RGBA, QOpenGLTexture::UInt8);

4、渲染：

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

完整代码示例：

  QImage image("texture.png");
  image = image.convertToFormat(QImage::Format_RGBA8888);

  QOpenGLTexture texture(QOpenGLTexture::Target2D);
  texture.create();
  texture.bind();

  texture.setMinificationFilter(QOpenGLTexture::Linear);
  texture.setMagnificationFilter(QOpenGLTexture::Linear);
  texture.setWrapMode(QOpenGLTexture::Repeat);
  texture.setData(image.constBits(), image.width(), image.height(), QOpenGLTexture::RGBA, QOpenGLTexture::UInt8);

  GLint texAttr = program.attributeLocation("texAttr");
  program.setUniformValue("texture", 0);

  glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
  texture.bind();
  glVertexAttribPointer(texAttr, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
  glEnableVertexAttribArray(texAttr);

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

4.3 在Qt中创建和使用帧缓冲对象（FBO）

帧缓冲对象（FBO）是一种在OpenGL中实现离屏渲染的方法。在Qt中，可以使用QOpenGLFramebufferObject类来创建和使用FBO。
1、创建FBO：

   QOpenGLFramebufferObject fbo(width, height);

2、绑定FBO：

  fbo.bind();

3、渲染到FBO：

  glViewport(0, 0, width, height);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
  // 绘制代码

4、解绑FBO：

  fbo.release();

5、使用FBO中的纹理：

  GLuint textureId = fbo.texture();

完整代码示例：

  QOpenGLFramebufferObject fbo(width, height);
  fbo.bind();

  glViewport(0, 0, width, height);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

  // 绘制代码

  fbo.release();

  GLuint textureId = fbo.texture();

Qt工具与库支持

5.1 使用Qt Creator进行OpenGL开发

Qt Creator是Qt官方提供的集成开发环境（IDE），它支持OpenGL开发。在Qt Creator中，可以使用Qt Quick或QWidget应用程序模板创建OpenGL应用程序。
以下是使用Qt Creator进行OpenGL开发的步骤：

1、创建Qt Quick或QWidget应用程序模板。
2、在.pro文件中添加以下行：

QT += opengl

3、在qml或ui文件中使用QQuickFramebufferObject或QOpenGLWidget来创建OpenGL上下文。

4、在QML或QWidget子类中编写OpenGL代码。

5.2 常用的Qt OpenGL库和工具

Qt提供了一些OpenGL库和工具，方便开发者进行OpenGL开发。以下是一些常用的Qt OpenGL库和工具：

QOpenGLFunctions：提供了OpenGL函数的封装。
QOpenGLBuffer：用于在OpenGL中创建和管理缓冲区。
QOpenGLShaderProgram：用于在OpenGL中创建和管理着色器程序。
QOpenGLTexture：用于在OpenGL中创建和管理纹理。
QOpenGLFramebufferObject：用于在OpenGL中创建和管理帧缓冲对象。
Qt Designer：用于设计和创建QWidget的UI界面。
Qt Creator：用于创建和编辑Qt应用程序。
Qt Quick Designer：用于设计和创建Qt Quick的UI界面。

性能优化与调试

6.1 在Qt中进行OpenGL性能优化

在Qt中进行OpenGL性能优化可以提高应用程序的性能和响应速度。以下是一些在Qt中进行OpenGL性能优化的方法：
使用顶点缓冲对象（VBO）和帧缓冲对象（FBO）来减少CPU和GPU之间的数据传输。
合并OpenGL绘制调用，减少OpenGL状态的切换。
使用纹理压缩和纹理过滤来减少纹理的大小和数量。
使用多线程来进行OpenGL渲染和计算。
使用OpenGL的剪裁功能来减少不必要的渲染。

6.2 使用Qt工具进行OpenGL性能分析和调试

未来发展方向

7.1 Qt中的Vulkan API支持

Vulkan是一种新的图形API，它可以提供更好的性能和更高的图形质量。Qt目前正在开发Vulkan API的支持，这将为Qt开发者提供更多的图形编程选择。Vulkan API的支持将使Qt应用程序能够利用GPU的多个核心，实现更高效的图形渲染和计算。

7.2 实时渲染和光线追踪的Qt应用

实时渲染和光线追踪是当前图形编程的热门方向。Qt可以通过OpenGL和Vulkan API来实现实时渲染和光线追踪。此外，Qt还可以与其他图形库和引擎（如Unity和Unreal Engine）集成，实现更高级的实时渲染和光线追踪效果。

Qt也提供了Qt Quick 3D模块，它可以帮助开发者快速创建高质量的3D应用程序。Qt Quick 3D提供了一系列的元素、组件和工具，使得开发者能够轻松地创建复杂的3D场景和动画效果。

7.3 Qt中人工智能在图形编程中的应用

人工智能（AI）在图形编程中有许多应用，例如智能渲染、自动化建模和动画生成。Qt可以与其他AI库和框架（如TensorFlow和PyTorch）集成，实现更高级的图形编程应用。

Qt for Machine Learning是Qt提供的一个工具包，它可以帮助开发者轻松地集成机器学习模型到Qt应用程序中。Qt for Machine Learning提供了一组API和工具，使得开发者能够快速地使用机器学习模型进行图形识别、分类和预测等任务。

总之，Qt在图形编程领域有着广泛的应用，未来发展方向也非常广阔。Qt的Vulkan API支持、实时渲染和光线追踪以及人工智能在图形编程中的应用，将为Qt开发者提供更多的选择和更高效的解决方案。

结论

Qt是强大的图形编程框架：Qt作为一个跨平台的C++框架，展现了其在图形编程领域的强大功能。通过Qt的图形模块，我们可以轻松创建各种图形应用，从简单的2D图形到复杂的3D交互式场景，Qt为开发者提供了丰富的工具和库。

OpenGL在Qt中的重要性：调研表明，OpenGL在Qt中扮演着关键角色。Qt通过提供对OpenGL的全面支持，使开发者能够充分利用硬件加速图形渲染的优势，实现高性能的图形应用。此外，OpenGL在Qt中的使用也为开发者提供了更大的灵活性和控制权，能够直接操作底层图形渲染过程。

交互式图形编程的未来：调研结果表明，交互式图形编程是未来图形应用开发的主要趋势之一。通过结合Qt和OpenGL，开发者可以实现更加丰富多样的用户交互体验，如实时渲染、模型编辑、动画效果等。这将在游戏开发、虚拟现实、增强现实等领域产生广泛的应用。

挑战和机遇：尽管Qt中OpenGL技术提供了强大的图形编程能力，但其复杂性和学习曲线也带来了一定的挑战。开发者需要深入理解OpenGL的工作原理和OpenGL与Qt集成的方法。然而，这也为那些掌握了相关知识的开发者带来了机遇，因为他们可以通过灵活地使用OpenGL和Qt，创造出更具创新性和高性能的图形应用。

综上所述，《Qt中的OpenGL技术调研：探索交互式图形编程》为我们展示了Qt作为图形编程框架的优势，以及通过结合OpenGL的强大功能，实现交互式图形编程的潜力。随着技术的不断发展，Qt与OpenGL的结合将为图形应用开发者提供更多可能性，推动图形编程领域的不断创新和进步。