OpenGL(Open Graphics Library，译名：开放图形库)是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API）。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来从简单的图形到绘制复杂的三维景象。OpenGL的能够利用图形加速硬件来高效实现图形绘制。目前OpenGL的版本是2017年7月31日发布4.6，不同版本的API函数差异较大，此后的相关例子都以版本4.6作为基础。

Qt是一个跨平台的C++应用程序开发框架，目前广泛应用于GUI程序和非GUI程序的开发。在Qt中，OpenGL主要封装在QOpenGLWidget类中，它是QWidget的一个子类。QWidget就是一个窗口类，实现了窗口的基本功能。OpenGL不仅语言无关，而且平台无关。规范只字未提获得和管理OpenGL上下文相关的内容，而是将这些作为细节交给底层的窗口系统。出于同样的原因，OpenGL纯粹专注于渲染，而不提供输入、音频以及窗口相关的API。所以，要实现OpenGL的功能必须跟一个具体的平台和开发工具结合起来，这种结合最重要的就是管理OpenGL上下文(context)。简单地说，OpenGL上下文就是要跟具体平台的窗口渲染机制结合起来，使得OpenGL的结果能够渲染到窗口中。Qt中的QOpenGLWidget类实现了管理OpenGL的上下文，使用者不需要关注上下文如何实现的，只需关注OpenGL如何渲染。

在Qt中，通过重载QOpenGLWidget来实现OpenGL的图形渲染，下面是一个简单例子：

#ifndef QKGLWIDGET_H
#define QKGLWIDGET_H

#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLFunctions>
#include <QScopedPointer>

QT_FORWARD_DECLARE_CLASS(QOpenGLShaderProgram)

class QkGLWidget : public QOpenGLWidget, protected QOpenGLFunctions
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit QkGLWidget(QWidget *parent = nullptr);
    ~QkGLWidget();

protected:
    void initializeGL() override;
    void paintGL() override;
    
private:
    Q_DISABLE_COPY(QkGLWidget)
};    
                    

在介绍OpenGL渲染函数之前，先解一下OpenGL的坐标系。

世界坐标系以屏幕中心为原点(0,0,0)，当你面对屏幕时，右边是X正轴，上方是Y轴正轴，屏幕指向你的方向为Z轴负轴。窗口范围是从左至右是(-1,1)，即屏幕左下角坐标为(-1,-1, 1)，右上角坐标为(1,1, -1)。

typedef unsigned int GLenum;
typedef unsigned char GLboolean;
typedef unsigned int GLbitfield;
typedef signed char GLbyte;
typedef short GLshort;
typedef int GLint;
typedef int GLsizei;
typedef unsigned char GLubyte;
typedef unsigned short GLushort;
typedef unsigned int GLuint;
typedef float GLfloat;
typedef float GLclampf;
typedef double GLdouble;
typedef double GLclampd;
typedef void GLvoid;
                    

在子类重载函数 paintGL() 中实现OpenGL的渲染，窗口的任何变化，如：移动、缩放、遮盖等操作都会触发系统发调用paintGL。

 
void QkGLWidget::paintGL()
{
    // 将窗口的位平面区域设置为先前由glClearColor选择的值。
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    // 渲染图元
    glDrawArrays(GL_LINES, 0, 2);
}
                    

我们看看该函数的定义：

void glDrawArrays(	GLenum mode, GLint first, GLsizei count);
                    

从上面的代码我们看不出渲染的数据在哪里，只知道有三个参数中GL_LINES表示画线，0和2也看不出跟坐标有关的数据。在OpenGL中，一般需要将顶点数据都保存到缓存对象(buffer object)中，它是OpenGL维护的一块内存区域。

顶点(Vertex)是OpenGL的基本图元数据，也可以说是所有图形最基础的数据。其中顶点缓存对象 (VBO) 是一种 OpenGL 功能，它提供将顶点数据（位置、法向量、颜色等）上传到视频设备以进行非即时模式渲染的方法。VBO 比立即模式渲染提供了显着的性能提升，主要是因为数据驻留在视频设备内存中而不是系统内存中，因此它可以直接由视频设备渲染。下面简单的示例代码展示了创建VBO并将顶点数据并写入内存。

void QkGLWidget::initializeGL()
{
    // 初始化OpenGL函数
    initializeOpenGLFunctions();

    // 指定glClear用来清除颜色缓冲区的颜色(设置背景色)
    RGBA_TYPE bg_color = GL_COLOR_BLACK;
    glClearColor(RGB_TO_VERTEX(bg_color));

    float points[] = {
        0.0f,  0.5f,  0.0f,
        0.5f, -0.5f,  0.0f,
    };

    // 生成缓冲对象并将缓冲对象名称存储到vbo
    glGenBuffers(
                1,         // 指定要生成的缓冲区对象名称的数量。
                &m_vbo     // 存储生成的缓冲区对象名称
                );

    // 指定VBO的种类并激活VBO
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_vbo);

    // 上传顶点数据到视频设备
    glBufferData(
                GL_ARRAY_BUFFER,
                6 * sizeof(float),
                points,
                GL_STATIC_DRAW      // 指定数据存储的预期使用模式
                );


    QOpenGLExtraFunctions *f = QOpenGLContext::currentContext()->extraFunctions();

    // VAO（Vertex Array Object）是指顶点数组对象，主要用于管理 VBO 或 EBO ，
    // 减少 glBindBuffer 、glEnableVertexAttribArray、 glVertexAttribPointer 这些调用操作，
    // 高效地实现在顶点数组配置之间切换。

    // 创建并绑定 VAO
    f_extra->glGenVertexArrays(1, &m_vao);
    f_extra->glBindVertexArray(m_vao);


    // 设置着色器属性位置对应的数值
    glVertexAttribPointer(
                vPosition,  // 这就是顶点着色器中输入变量的location值。
                3,          // 每个顶点的元素数目
                GL_FLOAT,   // 指定数组中每个组件的数据类型
                GL_FALSE,
                0,          // 指定连续通用顶点属性之间的字节偏移量。 如果步幅为 0，则通用顶点属性被理解为紧密打包在数组中。 初始值为 0。
                0           // 当数据指针为NULL时，说明该数据来源于顶点缓存对象VBO
                );
    // 启用VAO
    glEnableVertexAttribArray(vPosition);
}
                    

即使在缓存中有了顶点数据，这时渲染到窗口仍然无法看见，这是因为还没有使用着色器。在渲染之前，还必须了解渲染管线(绘图流水线)（Graphics pipeline），它是计算机图形系统将三维模型渲染到二维屏幕上的过程。简单地说，在计算机即将显示电子游戏或三维动画内的三维模型时，绘图流水线就是把该模型转换成屏幕画面的过程。了争取更多的优化机会，绘图流水线大多时候是用硬件实现的。

GLSL - OpenGL Shading Language 也称作 GLslang，是一个以C语言为基础的高阶着色语言。它是由 OpenGL ARB 所建立，提供开发者对绘图管线更多的直接控制，而无需使用汇编语言或硬件规格语言。

着色器是使用GLSL语言来实现的小程序，OpenGL内部包含了所有的编译器工具，可以直接从着色器代码创建GPU所需的编译代码并执行。GLSL必须在运行时编译，这意味着每次启动程序时，所有的着色器将重新编译。在OpenGL中，会用到六种不同的着色阶段。其中最常用的包括顶点着色器(vertex shader)和片元着色器(fragment shader)，前者用于处理顶点数据，后者用于处理光栅化后的片元数据。

最终生成的图像包含了屏幕上绘制的所有像素点。像素(pixel)是显示器上最小的可见单元。计算机将所有的像素保存到帧缓存(framebuffer)当中，后者由图形硬件设备管理的一块独立内存区域，可以直接映射到最终的显示设备上。

因此，简单来说，着色器建立了应用程序和图形设备之间的通信通道，给着色器提供数据，实现着色运算。

    
// 创建 vertext shader 对象
GLuint vs = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);

// 将shader中的源代码设置为string指定的字符串数组中的源代码。
// OpenGL 在调用 glShaderSource 时复制着色器源代码字符串，因此应用程序可以在函数返回后立即释放其源代码字符串副本。
glShaderSource(
            vs,                     // glCreateShader创建的对象
            1,                      // 指定字符串数组的个数。
            &vertex_shader,         // GLSL代码
            NULL                    // 指定字符串数组的长度，如果 length 为 NULL，则获取字符串以null结尾的字符串。
            );
// 编译着色器对象
glCompileShader(vs);

// 创建 fragment shader并编译
GLuint fs = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fs, 1, &fragment_shader, NULL);
glCompileShader(fs);


// glCreateProgram 创建一个空的程序对象并返回一个可以引用它的非零值。
// 它可以附加着色器的对象, 这提供了一种机制来指定将链接以创建程序的着色器对象。
// 通过使用 glAttachShader来关联着色器对象，并使用 glLinkProgram 链接程序对象，在程序对象中创建一个或多个可执行文件。
// 当调用 glUseProgram 时，这些可执行文件成为当前状态的一部分。
// 程序可以通过调用 glDeleteProgram 来删除。
m_shader_program = glCreateProgram();
glAttachShader(m_shader_program, fs);
glAttachShader(m_shader_program, vs);

// 将将顶点属性索引与顶点着色器中的中的变量输入关联起来。
glBindAttribLocation(m_shader_program, vPosition, "in_Position");

glLinkProgram(m_shader_program);

glUseProgram(m_shader_program);
                    

综上所述，一个用来渲染图像的OpenGL程序需要执行的主要操作如下：

1. 从OpenGL的几何图元中设置数据，用于构建形状。
2. 使用不同的着色器(shader)对输入的图元数据执行计算操作，判断它们的位置、颜色以及其他渲染属性。
3. 将输入图元的数学描述转换为与屏幕位置对应的像素片元(fragment)。这一步也称为光栅化(rasterization)。
4. 最后、针对光栅化过程产生每个片元，执行片元着色器(fragment shader)，从而决定这个片元的最终颜色和位置。
5. 如有必要，还需要针对每个片元执行一个额外的操作，例如判断片元对应的对象是否可见，或者将片元的颜色与当前的颜色进行融合。

OpenGL是使用客户端-服务器端的形式实现的，我们编写的应用程序可以看作客户端，而计算机图形硬件厂商所提供的OpenGL实现可以看作服务器（客户端和服务器端并不是通过TCP/IP来通讯的）。在大多数现代的实现方案中，硬件图形加速器被用来完成大部分的OpenGL指令，它往往被构建在计算机的核心处理器中，或者作为一个独立的电路板插入到计算机主板上。