OpenGL Learning Journey

本專案記錄了我跟隨網路教學（包含知名教學 LearnOpenGL 以及 Lazy Foo' Productions）自主學習電腦圖形學與 OpenGL 的完整實作軌跡。

從早期 OpenGL 2.1 固定管線 (Fixed-Function Pipeline) 的矩陣堆疊與即時模式，全面過渡至 OpenGL 3.3+ 核心模式 (Programmable Pipeline / Core Profile)，逐步實現自定義著色器、現代緩衝物件、3D 矩陣轉換、FPS 漫遊攝影機以及完整的馮氏光照與多光源系統。

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核心特色與學習脈絡

• 跨越世代的圖形學體會：
  • 經典管線 (Legacy OpenGL)：體驗 glBegin / glEnd、矩陣堆疊（glPushMatrix / glPopMatrix）以及視口操作，理解傳統繪圖架構的限制。
  • 現代管線 (Modern OpenGL 3.3+)：深入 GPU 可程式化渲染管線（Programmable Pipeline），親手編寫 GLSL 著色器，操作 VAO / VBO / EBO 與 GPU 顯存互動。
• 扎實的 3D 數學與座標轉換：
  • 完整走過 3D 空間管線：$\text{Local Space} \to \text{World Space} \to \text{View Space} \to \text{Clip Space} \to \text{Screen Space}$。
  • 使用 GLM 庫建構 Model、View、Projection (MVP) 變換矩陣，掌握齊次座標與透視投影原理。
• 模組化物件導向封裝：
  • MyShader 類別：封裝 GLSL 程式碼讀取、編譯、連結、除錯日誌與 Uniform 參數傳遞。
  • MyCamera 類別：基於尤拉角（Pitch / Yaw）與 glm::lookAt 實作可平滑移動、旋轉視角、縮放 FOV 的 FPS 自由視角攝影機。
• 真實光照與材質系統 (Phong & Light Casters)：
  • 馮氏光照模型 (Phong Lighting Model)：環境光 (Ambient)、漫反射光 (Diffuse)、鏡面高光 (Specular) 與法線矩陣校正。
  • 材質 (Material) 與光照貼圖 (Lighting Maps)：使用漫反射貼圖（Diffuse Map）與鏡面高光貼圖（Specular Map）控制物體表面細節。
  • 三種投光物實作：平行光 (Directional Light / 太陽光)、點光源 (Point Light / 距離衰減)、聚光燈 (Spot Light / 內外圓錐平滑切光角)。

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圖形管線與座標變換流程

flowchart LR
    A["頂點資料 (Vertices)\n[CPU]"] -->|glBufferData| B["VBO / VAO / EBO\n[GPU 顯存]"]
    B --> C["頂點著色器\n(Vertex Shader)\nMVP 變換"]
    C --> D["圖元裝配 & 光柵化\n(Rasterization)\n3D -> 片段 (Fragments)"]
    D --> E["片段著色器\n(Fragment Shader)\n光照/紋理/材質計算"]
    E --> F["測試與混合\n(Depth Test / Z-Buffer)\n最終輸出至螢幕"]

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專案目錄與章節對照表

整個學習歷程分為三大核心模組：

1. 經典時期：FreeGlut & OpenGL 2.1 (FreeGlut／OpenGL 2.2(VeryOldVer)/)

基於 Lazy Foo' Productions 教學，體驗經典固定管線繪圖：

章節 / 目錄	學習重點與實作內容	關鍵技術與 API
01 Basic_rectangle	FreeGLUT 初始化、視窗建立、雙緩衝機制	glutInit, glBegin(GL_QUADS), glutSwapBuffers
02 ViewPort	視口概念、座標比例映射與視窗調整	glViewport, glOrtho
03 Scrolling_and_Matrix_stack	矩陣堆疊操作、畫面位移與滾動效果	glMatrixMode, glPushMatrix, glPopMatrix, glTranslatef
04 Texture_mapping_and_Pixel_manipulation	經典紋理映射、像素手動操作與 UV 座標對齊	glTexImage2D, glBindTexture, glTexCoord2f
05	整合外部影像庫 DevIL 讀取外部圖檔貼圖	DevIL (ilInit, ilLoadImage, ilGetData)

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2. 現代時期：OpenGL 3.3+ 基礎核心管線 (GLFW3／OpenGL3.3+/Chapter1_Baisc_OpenGL/)

轉移至 Modern OpenGL Core Profile，基於 GLFW 與 GLAD：

編號 / 目錄	學習主題	詳細內容與筆記
01_Basic_Window	GLFW 視窗建立	初始化 GLFW 3.4、GLAD 函式載入、視口回呼函式與渲染主迴圈
02_Hello_Triangle	現代圖形管線與三角形	頂點陣列 (VAO)、頂點緩衝 (VBO)、手寫 VS/FS 著色器與 glDrawArrays
03_Hello_Square	矩形繪製與索引緩衝	索引緩衝物件 (EBO / IBO)、glDrawElements 避免頂點重複、線框模式
04_Shader01	GLSL 語法與資料傳遞	著色器輸入輸出介面變數、Uniform 變數動態傳遞顏色 (glfwGetTime)
05_Shader02	著色器類別封裝 (MyShader)	讀取外部 .vs / .fs 著色器檔案、編譯錯誤捕獲與封裝
06_Texture	紋理貼圖與多重紋理單元	stb_image 讀取圖檔、紋理過濾 (Filtering) / 環繞 (Wrapping)、多紋理單元混合 (GL_TEXTURE0, GL_TEXTURE1)
07_Transformation_Matrix	變換矩陣 (Transformations)	GLM 數學庫應用、縮放/旋轉/平移矩陣乘法順序與動態旋轉箱子
08_Coordinate_Systems	3D 座標系統與 MVP 矩陣	局部/世界/觀察/裁剪空間、透視投影 (glm::perspective)、深度測試 (GL_DEPTH_TEST)、空間中 10 個旋轉立方體
09_Camera	FPS 自由視角攝影機	LookAt 矩陣、尤拉角視角轉動 (Yaw/Pitch)、WASD 平移、滑鼠滾輪 Zoom、DeltaTime 時間平滑化

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3. 光照系統與高級投光物 (10 ~ 14)

模擬真實光照物理特性與不同光源型態：

編號 / 目錄	學習主題	詳細內容與筆記
10_Colors	光照色彩原理	物理顏色吸收與反射概念、建立光源燈泡立方體與被照物體場景
11_Basic_Lighting(Phong_Lighting_Model)	馮氏光照模型	環境光 (Ambient) + 漫反射 (Diffuse) + 鏡面反射 (Specular)；法向量傳遞與法線矩陣 (Normal Matrix) 逆矩陣轉置
12_Material	物體與光源材質系統	定義結構體 Material 與 Light，為不同材質（翡翠、黃金、塑膠）設定反射特性
13_Lighting_Maps	光照貼圖 (漫反射 & 鏡面)	漫反射貼圖 (Diffuse Map) 提供物體顏色表面；鏡面光貼圖 (Specular Map) 精確控制高光分佈（如木箱鋼鐵邊框高光）
14	投光物 (Light Casters)	深入實作 3 種常見光源： 1. 定向光/平行光 (main平行光.cpp)：模擬太陽光，所有光線方向一致 2. 點光源 (main點光源.cpp)：包含距離衰減公式（常數項、一次項、二次項） 3. 聚光燈 (main.cpp)：手電筒效果，計算光錐內外邊緣餘弦值實現平滑柔和切光

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開發環境與依賴庫

本專案於 Windows 系統環境下建置，各章節專案內已妥善配置相應第三方函式庫：

• 語言與標準：C++11 / C++17
• 編譯器：
  • GLFW3 / Modern OpenGL (推薦)：MinGW-w64 64-bit (g++)
  • FreeGlut / Legacy OpenGL：MinGW 32-bit (-m32 模式編譯)
• 核心依賴庫：
  • GLFW 3.4：視窗建立與使用者事件輸入監聽
  • GLAD：OpenGL 3.3 Core Profile 函式指標載入
  • GLM (OpenGL Mathematics) 1.0.1：高效能圖形數學矩陣運算庫
  • stb_image：單標頭檔圖片讀取庫（支援 PNG、JPG 等）
  • FreeGLUT 3.0：經典 OpenGL 視窗與輸入系統
  • DevIL Windows SDK：經典圖片載入工具

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編譯與執行教學

每個章節與實驗目錄均附有獨立的 makefile，支援快速編譯：

編譯現代 OpenGL 範例（以第 14 章 投光物為例）

1. 打開終端機（PowerShell 或 CMD），進入目標目錄：

   cd 14

2. 執行 make 進行編譯（Debug 或 Release 模式）：

   # 編譯 Debug 版本
   make debug
   
   # 或編譯 Release 版本（隱藏控制台視窗）
   make release

3. 執行產生的執行檔：

   cd Build
   .\main.exe

Tip

第 14 章還包含另外兩支光源展示程式，可透過編譯對應源碼體驗：

• 聚光燈 (Spotlight)：直接執行 Build/main.exe
• 平行光 (Directional Light)：直接執行 Build/main平行光(directional_light).exe
• 點光源 (Point Light)：直接執行 Build/main點光源(point_light).exe

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編譯經典 OpenGL 範例（以 FreeGlut 01 為例）

由於 FreeGLUT 為 32 位元二進位庫，需使用 32 位元 MinGW 編譯器：

cd "FreeGlut／OpenGL 2.2(VeryOldVer)/01 Basic_rectangle"
make debug
cd Build
.\main.exe

Note

若執行 32 位元程式時提示缺少 DLL，請確保 Build/ 目錄下包含 freeglut.dll 與 libgcc_s_sjlj-1.dll。

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操作控制說明 (3D 場景 & 漫遊攝影機)

在第 9 章之後的 3D 互動場景中，支援完整的 FPS 視角操控：

按鍵 / 輸入	操作功能
W	攝影機向前移動 (Move Forward)
S	攝影機向後移動 (Move Backward)
A	攝影機向左平移 (Strafe Left)
D	攝影機向右平移 (Strafe Right)
滑鼠移動	旋轉視角（水平 Yaw 偏航角 / 垂直 Pitch 俯仰角）
滑鼠滾輪	調整視場角 FOV（視角放大 / 縮小 Zoom In / Out）
ESC	退出應用程式關閉視窗

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學習資源與致謝

• LearnOpenGL - Joey de Vries：現代 OpenGL 入門經典教學
• Lazy Foo' Productions - Beginning OpenGL：啟蒙經典固定管線架構的教學
• OpenGL Documentation - Khronos Group
• Song Ho Ahn's OpenGL Tutorials