OpenGL技术教学课件

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1、第 10章 OpenGL10.1 简 介10.2 OpenGL基 本 程 序 结 构10.3 OpenGL程 序 设 计 入 门 10.1 简 介10.1.1 什 么 是 OpenGL？OpenGL是 一 个 功 能 强 大 的 开 放 图 形 库 （ Open Graphics Library） 。 其 前 身 是 SGI公 司 为 其 图 形工 作 站 开 发 的 IRIS GL。 为 使 其 能 够 更 加 容 易 地移 植 到 不 同 的 硬 件 和 操 作 系 统 ， SGI开 发 了OpenGL。OpenGL被 打 造 为 开 放 性 标 准 ， 任 何 软 硬 件 厂 商均 可

2、自 由 使 用 ， 这 让 它 受 到 广 泛 的 欢 迎 。 1992年 7月 ， SGI正 式 发 布 OpenGL 1.0标 准 。 OpenGL 1.0完 全 实 现 了 SGI的 预 期 设 计 目 标 ： 功 能 强 大 、 移 植性 良 好 并 能 自 由 使 用 。 SGI和 微 软 进 行 首 次 合 作 、 联 手将 OpenGL 1.0移 植 到 Windows NT平 台 。 1995年 ， SGI推 出 了 更 为 完 善 的 OpenGL 1.1版 本 。OpenGL 1.1的 性 能 比 1.0版 提 高 甚 多 ， 同 时 还 加 入 了 诸如 顶 点 数 组

3、、 顶 点 位 置 、 新 纹 理 等 新 特 性 ， 并 增 强 了元 文 件 对 OpenGL的 调 用 等 等 。 OpenGL 1.1同 样 获 得 了成 功 ， 而 它 也 有 对 应 的 Windows NT版 本 。 1992年 成 立 的 独 立 财 团 OpenGL Architecture Review Board (ARB)控 制 。 SGI等 ARB成 员 以投 票 方 式 产 生 标 准 ， 并 制 成 规 范 文 档(Specification)公 布 ， 各 软 硬 件 厂 商 据 此 开 发 自己 系 统 上 的 实 现 。 只 有 通 过 了 ARB规 范 全

4、 部 测试 的 实 现 才 能 称 为 OpenGL。 1995年 12月 ARB批 准 了 1.1版 本 ， 1999.5通 过 的 1.2.1。 2003年 的7月 ， ARB公 布 OpenGL 1.5规 范 这 也 是 迄今 为 止 最 新 的 OpenGL版 本 。 10.1.2 OpenGL的 特 点从 程 序 开 发 人 员 的 角 度 来 看 ， OpenGL是 一 组绘 图 命 令 的 API集 合 。 利 用 这 些 API能 够 方 便 地描 述 二 维 和 三 维 几 何 物 体 ， 并 控 制 这 些 物 体 按某 种 方 式 绘 制 到 显 示 缓 冲 区 中 。

5、OpenGL的 API集 提 供 了 物 体 描 述 、 平 移 、 旋 转 、 缩 放 、 光 照 、纹 理 、 材 质 、 像 素 、 位 图 、 文 字 、 交 互 以 及 提高 显 示 性 能 等 方 面 的 功 能 ， 基 本 涵 盖 了 开 发 二 、三 维 图 形 程 序 所 需 的 各 个 方 面 。 与 一 般 的 图 形开 发 工 具 相 比 ， OpenGL具 有 以 下 几 个 突 出 特点 : （ 1） 跨 平 台 特 性 OpenGL与 硬 件 、 窗 口 和 操 作 系 统 是 相 互 独 立 的 。为 了 构 成 一 个 完 整 功 能 的 图 形 处 理 系

6、统 ， 其 设 计 实 现共 分 5 层 ： 图 形 硬 件 、 操 作 系 统 、 窗 口 系 统 、 OpenGL和 应 用 软 件 。 因 而 ， OpenGL可 以 集 成 到 各 种 标 准 窗 口 和 操 作系 统 中 。 例 如 ， 操 作 系 统 包 括 UNIX,Windows NT, Windows 95/98, DOS等 ； 窗 口 系 统 包 括 X Windows, Microsoft Windows等 。 （ 2） 应 用 的 广 泛 性OpenGL是 目 前 最 主 要 的 二 、 三 维 交 互 式 图 形 应 用 程序 开 发 环 境 ， 已 成 为 业 界

7、最 受 推 荐 的 图 形 应 用 编 程 接口 。 自 从 1992年 发 表 以 来 ， OpenGL已 被 广 泛 地 应 用于 CAD/CAM、 三 维 动 画 、 数 字 图 像 处 理 以 及 虚 拟 现实 等 领 域 ， Kinetix公 司 的 3D Studio Max就 是 突 出 的代 表 。 无 论 是 在 PC机 上 ， 还 是 在 工 作 站 甚 至 是 大 型机 和 超 级 计 算 机 上 ， OpenGL都 能 表 现 出 它 的 高 性 能和 强 大 威 力 。 （ 3） 网 络 透 明 性 建 立 在 客 户 /服 务 器 模 型 上 的 网 络 透 明 性

8、 是OpenGL的 固 有 特 性 ， 它 允 许 一 个 运 行 在 工 作 站 上 的进 程 在 本 机 或 通 过 网 络 在 远 程 工 作 站 上 显 示 图 形 。 利用 这 种 性 质 能 够 均 衡 各 工 作 站 的 工 作 负 荷 ,共 同 承 担图 形 应 用 任 务 。（ 4） 高 质 量 和 高 性 能 无 论 是 在 CAD/CAM、 三 维 动 画 还 是 可 视 化 仿 真等 领 域 ， OpenGL高 质 量 和 高 效 率 的 图 形 生 成 能 力 都能 得 到 充 分 的 体 现 。 在 这 些 领 域 中 ， 开 发 人 员 可 以 利用 OpenGL

9、制 作 出 效 果 逼 真 的 二 、 三 维 图 像 来 。 （ 5） 出 色 的 编 程 特 性 OpenGL在 各 种 平 台 上 已 有 多 年 的 应 用 实践 ， 加 上 严 格 的 规 范 控 制 ， 因 此 OpenGL具 有良 好 的 稳 定 性 。 OpenGL具 有 充 分 的 独 立 性 与 易 使 用 性 等 。 10.2 OpenGL基 本 程 序 结 构 Windows 95/98以 及 Windows NT 3.51 以 上 的 操作 系 统 中 提 供 了 OpenGL的 动 态 库 ， 在 VC+2.0 以 上 的 版 本 中 提 供 了 OpenGL的 静

10、 态 库 ， 所 以 ，使 用 OpenGL编 程 ， 在 微 机 上 使 用 时 ， 最 好 是在 上 述 软 件 环 境 中 编 写 OpenGL程 序 。 在 微 机 版 本 中 ， OpenGL 提 供 了 三 个 函 数 库 ，它 们 是 基 本 库 、 实 用 库 和 辅 助 库 。 10.2.1 Windows系 统 下 的 OpenGL函 数 OpenGL的 基 本 库 是 OpenGL的 核 心 函 数 库 ， 在 这个 函 数 库 中 ， 提 供 了 115个 函 数 ， 这 些 函 数 都 是 以“ gl”为 前 缀 。 这 类 API的 主 要 功 能 包 括 物 体

11、描 述 、平 移 、 旋 转 、 缩 放 、 光 照 、 纹 理 、 材 质 、 像 素 、 位图 、 文 字 处 理 等 。所 有 OpenGL 提 供 的 操 作 都 可 以 使 用 这 些 函 数 来 实现 ， 而 且 ， 对 于 不 同 的 软 件 和 硬 件 平 台 ， 这 些 函 数的 使 用 是 完 全 相 同 的 ， 这 个 特 性 注 定 了 OpenGL程序 完 美 的 可 移 植 性 。 OpenGL的 实 用 库 是 OpenGL基 本 库 的 一 套 子 程 序 ，它 提 供 了 43个 函 数 ， 这 些 函 数 都 是 以 ” glu”为 前 缀 。基 本 的 O

12、penGL不 支 持 传 统 上 同 图 形 标 准 相 关 的 一些 几 何 对 象 ， 为 了 减 少 一 些 编 程 负 担 ， OpenGL提供 了 实 用 库 。 主 要 功 能 包 括 绘 制 二 次 曲 面 、NURBS曲 线 曲 面 、 复 杂 多 边 形 以 及 纹 理 、 矩 阵 管理 等 。实 用 库 中 的 所 有 函 数 全 都 是 由 OpenGL基 本 库 函 数来 编 写 的 ， 所 以 ， 在 使 用 上 和 OpenGL基 本 库 的 使用 是 完 全 相 同 的 ， 而 且 ， 用 户 也 可 以 使 用 基 本 函数 库 来 实 现 实 用 库 的 函

13、数 功 能 。 OpenGL的 辅 助 库 是 为 了 方 便 用 户 用 标 准 C编 写 OpenGL程 序 而 编 写 的 。 OpenGL是 一 个 图 形 标 准 ， 所 以 ， 在OpenGL中 没 有 提 供 窗 口 管 理 和 消 息 事 件 响 应 的 函 数 ，这 样 使 用 标 准 C 编 写 OpenGL程 序 是 很 不 方 便 的 ， 所 以提 供 了 辅 助 库 。 它 提 供 了 31个 函 数 ， 这 些 函 数 都 是 以“ aux”为 前 缀 。 OpenGL辅 助 库 提 供 了 一 些 基 本 的 窗 口管 理 函 数 、 事 件 处 理 函 数 和

14、一 些 简 单 模 型 的 制 作 函 数 等 ，例 如 ， 定 义 窗 口 的 大 小 、 处 理 键 盘 时 间 、 鼠 标 击 键 事 件 、绘 制 多 面 体 等 等 。 10.2.2 一 个 简 单 的 OpenGL程 序下 面 将 通 过 一 个 简 单 的 OpenGL 程 序 来 说 明 OpenGL头 文件 的 使 用 、 语 法 规 则 、 程 序 的 基 本 结 构 、 程 序 的 运 行 环境 配 置 。例 10.1 OpenGL 例 程 sample.c#include #include #include #include #include void myinit(v

15、oid); void CALLBACK myReshape(int w, int h);void CALLBACK display(void); void myinit(void) /初 始 化glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); /将 窗 口 清 为 黑 色void CALLBACK display(void)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); /将 颜 色 缓 存 清 为 glClearColor命 令 所 设 置 的 颜 色 ， 即 背 景 色glColor4f(0.2,0.8,1.0,1.0); /选 颜 色 (R,G,B)glRotat

16、ef(30,1.0,1.0,0.0); /做 旋 转 变 换auxWireCube(1.0); /绘 制 六 面 体 的 虚 线 图glFlush(); /强 制 绘 图 ， 不 驻 留 缓 存 void CALLBACK myReshape (int w, int h) /用 于 窗 口 大 小 改 变 时 的 处 理 ，与 绘 图 无 关glViewport(0,0,w,h);void main(void)auxInitDisplayMode(AUX_SINGLE|AUX_RGBA); /窗 口 显 示 单 缓 存 和RGB(彩 色 )模 式auxInitPosition(0,0,200,

17、200); /大 小 x=200 y=200 (0,0)是 屏 幕 左 上 点auxInitWindow(“openglsample.c”); /初 始 化 窗 口 ， 参 数 是 标 题myinit(); auxReshapeFunc(myReshape);auxMainLoop(display); 1. 头 文 件 使 用若 应 用 程 序 使 用 OpenGL核 心 函 数 ， 应 包 括 头 文件 ；使 用 GLU库 函 数 ， 应 包 括 头 文 件 ；使 用 AUX库 函 数 ， 应 包 括 头 文 件 ； 使 用 WGL和 Win32应 包 括 头 文 件 。2. 回 调 （ C

18、ALLBACK） 函 数CALLBACK函 数 是 一 些 用 来 让 系 统 调 用 的 函 数 ，系 统 调 用 它 们 来 实 现 显 示 、 接 受 输 入 事 件 功 能 。 3. 语 法 规 则OpenGL基 本 库 的 所 有 操 作 函 数 都 是 以 “ gl”为 前 缀 的 。实 用 库 的 所 有 操 作 函 数 都 是 以 “ glu”为 前 缀 。 辅 助 库 的所 有 操 作 函 数 都 是 以 “ aux”为 前 缀 的 。 OpenGL命 令 带有 后 缀 。以 sample.c中 的 glColor4f为 例 ， 前 缀 “ gl”指 这 个 函 数 是Ope

19、nGL的 核 心 库 函 数 ， 组 成 命 令 的 单 词 首 字 母 大 写 ，如 “ Color”； 后 缀 “ 4”表 示 颜 色 值 是 由 4个 变 量 来 表 示的 ； “ f ”表 示 所 表 示 颜 色 的 每 个 分 量 的 类 型 为 32位 浮 点数 。OpenGL核 心 库 函 数 常 量 是 以 “ GL_” 开 头 ， 均 用 大 写字 母 ， 并 用 下 划 线 将 每 个 关 键 词 分 开 ， 如GL_COLOR_BUFFER_BIT。 4. 程 序 的 基 本 结 构 一 个 OpenGL程 序 的 基 本 结 构 是 很 简 单 的 ， 无 论 多 么

20、复 杂的 OpenGL程 序 ， 可 以 大 致 分 解 成 以 下 部 分 ：（ 1） 定 义 窗 口Windows 系 统 下 的 OpenGL实 现 提 供 了 一 个 辅 助 函 数 库 aux，用 于 解 决 开 窗 口 和 处 理 输 入 事 件 等 问 题 。窗 口 管 理 函 数 ：首 先 ， 调 用 void auxInitDisplayMode(Glbitfield mask) 函数 定 义 窗 口 的 特 性 ， 如 颜 色 和 缓 存 区 的 性 质 。 例 如 ：auxInitDisplayMode(AUX_SINGLE|AUX_RGBA); /窗 口 显 示 单 缓

21、 存 和 RGB(彩 色 )模 式 其 次 ， 调 用 void auxInitPosition(Glint x,Glint y, Glint width, Glint height)定 义 窗 口 在 屏 幕 上 的 位 置 和 大 小 。 其中 ， x,y为 窗 口 左 上 角 的 坐 标 ， width,height 分 别 为 窗 口 的宽 和 高 (像 素 个 数 )。 默 认 值 为 (0,0,100,100)。 例 如 ：auxInitPosition(0,0,200,200); /大 小 x=200 y=200 (0,0)是 屏 幕 左 上 点最 后 ， 完 成 上 述 两 个

22、 函 数 调 用 后 ， 用 函 数 void auxInitWindow(Glbyte *titleString)打 开 窗 口 。 窗 口 的 标题 为 字 符 串 titleString。 窗 口 把 ESC键 与 退 出 函 数 联 系 起来 ， 可 以 用 来 关 闭 窗 口 ， 退 出 程 序 。 例 如 ：auxInitWindow(“openglsample.c”); /初 始 化 窗 口 ， 参 数 是 标 题 处 理 输 入 事 件 :当 改 变 窗 口 尺 寸 、 移 动 窗 口 、 重 新 显 示 窗 口 时 ，由 auxReshapeFunc(myReshape)调

23、用 函 数myReshape重 新 定 义 窗 口 属 性 。通 常 myReshape函 数 调 用 glViewPort函 数 ， 对 当前 图 形 进 行 裁 剪 ， 重 新 定 义 投 影 矩 阵 等 。OpenGL辅 助 函 数 库 中 还 包 括 处 理 键 盘 和 鼠 标 输入 事 件 的 函 数 。 （ 2） 初 始 化 操 作由 于 OpenGL的 绘 图 方 式 是 由 一 系 列 的 状 态 确 定 的 ， 因 而 在 绘制 图 形 前 需 要 做 一 些 准 备 工 作 ， 包 括 清 缓 存 区 （ buffer） 、 定义 光 照 模 型 、 定 义 纹 理 映 射

24、 等 基 本 操 作 的 初 始 化 状 态 、 设 置三 维 视 景 体 、 定 义 视 口 。 例 如 ：glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); /将 窗 口 清 为 黑 色glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); /将 颜 色 缓 存 清 为 glClearColor命 令 所 设 置 的 颜 色 ， 即 背 景 色 （ 3） 设 置 观 察 坐 标 系 下 的 取 景 模 式 和 取 景 框 位 置 及 大 小主 要 利 用 了 三 个 函 数 ： 函 数 void glViewport(GLint x, Glint y, Glsizei wid

25、th, Glsizei height)： 设 置 在 屏 幕 上 的 视 口 大 小 ， 四 个 参 数 描 述屏 幕 视 口 四 个 角 上 的 坐 标 （ 以 像 素 表 示 ） 。参 数 (x,y)用 于 指 定 视 口 的 左 下 角 在 窗 口 坐 标 系 中 的 位 置 ，参 数 width和 height分 别 确 定 矩 形 视 口 的 宽 和 高 ， 均 以 像 素为 单 位 。注 意 ： 视 口 的 大 小 和 尺 寸 是 在 窗 口 坐 标 系 中 进 行 度 量 的 ，默 认 状 态 下 其 坐 标 原 点 位 于 窗 口 的 左 下 角 ， 其 尺 寸 与 窗 口的

26、大 小 相 同 。 视 点 方 向 观 察 体 积 函 数 void glOrtho(left,right,bottom,top,near,far)：设 置 投 影 方 式 为 正 交 投 影 （ 平 行 投 影 ） ， 其 取 景 体 积是 一 个 各 面 均 为 矩 形 的 六 面 体 。 函 数 void gluPerspective(fovy,aspect,zNear,zFar)： 设 置投 影 方 式 为 透 视 投 影 ， 其 取 景 体 积 是 一 个 截 头 锥 体 ， 在这 个 体 积 内 的 物 体 投 影 到 锥 的 顶 点 。它 通 过 指 定 x-z平 面 内 的 视

27、 角 大 小 及 宽 高 比 来 确定 沿 视 线 方 向 的 棱 锥 ， 并 通 过 指 定 远 、 近 剪 切 面与 视 点 间 的 距 离 来 截 断 棱 锥 ， 得 到 观 察 体 。 注 : 在 默 认 状 态 下 投 影 方 式 为 平 行 正 交 投 影 。 （ 4） 使 用 OpenGL的 库 函 数 构 造 几 何 物 体 对 象 的数 学 描 述 。 包 括 点 线 面 的 位 置 和 拓 扑 关 系 、 几 何变 换 、 光 照 处 理 等 。 这 是 OpenGL程 序 的 主 要 部 分 。在 例 10.1中 ， 在 函 数 void CALLBACK display

28、(void)中 写 好要 绘 制 的 三 维 图 形 ， 然 后 ， 在 主 程 序 中 调 用auxMainLoop(display)就 可 让 该 图 形 一 直 显 示 。 （ 5） 程 序 的 微 机 运 行 环 境 配 置 软 件 与 硬 件 环 境 操 作 系 统 ： Windows 95/98, Windows NT 软 件 开 发 环 境 ： Microsoft Visual C+4.0及 以 上 版 本 硬 件 ： 奔 腾 级 微 机 ， 最 好 配 有 支 持 OpenGL硬 加 速 的 图 形 卡 连 接 三 个 静 态 库 程 序 中 除 了 包 含 必 需 的 头 文

29、 件 如 外 ， 在 创 建 执 行 文 件 时 ， 在 VC环境 设 置 中 要 连 接 opengl32.lib, glu32.lib和 glaux.lib 三 个 函 数 库 。 运行 已 创 建 的 执 行 文 件 时 ， 在 windowssystem目 录 下 要 有opengl32.dll， glu32.dll两 个 动 态 连 接 库 。 10.3 OpenGL程 序 设 计 入 门 OpenGL的 状 态 机 制 OpenGL中 的 图 元 绘 制 坐 标 变 换 及 其 OpenGL实 现 应 用 变 换 的 一 个 实 例 光 照 处 理 10.3.1 OpenGL的 状

30、 态 机 制OpenGL的 绘 图 方 式 是 由 一 系 列 的 状 态 决 定 的 ， 如 果 设 置 了一 种 状 态 或 模 式 而 不 改 变 它 ， OpenGL在 绘 图 过 程 中 将 一 直保 持 这 种 状 态 或 模 式 。 例 如 ， 当 前 绘 图 颜 色 就 是 OpenGL 的 一 个 状 态 ， 当 选 定 颜色 后 ， OpenGL就 用 这 个 颜 色 绘 图 。 在 例 10.1中 ， 以 下 语 句void myinit(void)glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); 中 的 函 数 glClearColor(0.0,0.0,0.

31、0,0.0)将 视 口 背 景 色 清 为 黑色 ， 如 果 不 改 变 这 种 状 态 ， 视 口 背 景 色 将 一 直 保 持 为 黑 色 。 再 如 ：glColor3f(1.0,0.0,0.0); /设 置 当 前 颜 色 为 红 色glColor3f(0.0,0.0,1.0); /设 置 当 前 颜 色 为 蓝 色glRectf(0.5,0.5,0.7,0.7); /绘 制 一 个 矩 形glColor3f(0.0,1.0,0.0); /设 置 当 前 颜 色 为 绿 色glRectf(0.8,0.8,0.9,0.9);glRectf(0.2,0.2,0.4,0.4); 执 行 结

32、 果 是 ： 一 个 蓝 色 的 矩 形 和 两 个 绿 色 的 矩 形 。 10.3.2 OpenGL中 的 图 元 绘 制 任 何 复 杂 的 图 形 都 是 由 基 本 的 图 元 点 、 线 和 多 边 形组 成 的 。程 序 格 式 如 下 ：要 绘 制 某 个 几 何 对 象 ， 首 先 必 须 指 明 究 竟 是 哪 种 类型 的 几 何 对 象 （ 例 如 点 、 线 和 多 边 形 ） ， 否 则 系 统在 执 行 绘 图 操 作 时 无 法 判 断 究 竟 是 画 什 么 。 OpenGL提 供 了 一 对 用 于 指 定 顶 点 序 列 操 作 的 函 数 ， 确 定 基

33、本 几 何 对 象 的 类 型 。glBegin(); /描 述 一 组 顶 点 ， 用 于 建 构 某 种 几 何 对 象glEnd(); 1. 点 的 绘 制 OpenGL中 点 定 义 为 一 个 方 块 ， 在 默 认 状 态 下 ， 点 是屏 幕 上 的 一 个 像 素 。 在 OpenGL中 ， 一 个 点 是 当 作 一个 n（ 2,3,4） 维 向 量 来 处 理 的 。 OpenGL 中 的 点 是 三 维 的 ， 如 果 用 户 设 定 二 维 坐 标(x,y)， 则 OpenGL在 实 际 计 算 时 处 理 的 点 为 （ x,y,0） ；对 于 由 四 维 齐 次 坐

34、 标 定 义 的 顶 点 （ x,y,z,w） , 在 w非 零时 ， 齐 次 顶 点 （ x,y,z,w） 对 应 于 三 维 坐 标 中 的 点（ x/w,y/w,z/w） ； 若 w =0.0， 则 对 应 于 无 穷 远 处 的 点 。 glVertex 2,3,4dfisv(TYPE coords)； 例 如 ： glVertex2i(0,1);glVertex3d(-1.0,1.0,3.1425926);glVertex4d(40,-15.9, 0,2);Glfloat v3=-1.2f,3.4f,5.6f; glVertex3fv(v);以 下 操 作 的 结 果 是 在 屏 幕

35、 上 绘 制 三 个 点 ：glBegin(GL_POINTS) glVertex3f(1.0,0.0,0.0); glVertex3f(1.0,1.0,0.0); glVertex3f(0.0,1.0,1.0); glEnd()； 2. 线 的 绘 制与 数 学 意 义 上 两 端 无 限 延 伸 的 直 线 不 同 ， OpenGL的 线 是数 学 定 义 中 的 线 段 ， 用 成 对 的 端 点 来 描 述 。 如 ：glBegin(GL_LINES) glVertex2f(0.0,0.0); glVertex2f(1.0,1.0);glEnd()； 上 述 操 作 描 述 了 一 条

36、 由 坐 标 原 点 到 点 （ 1.0,1.0） 的 线 段 。 3. 多 边 形 的 绘 制多 边 形 指 封 闭 线 段 围 成 的 区 域 。 但 OpenGL中 可 以 描 述 的多 边 形 有 两 点 限 制 ： 多 边 形 的 边 除 了 多 边 形 的 顶 点 外 不 允许 相 交 ， 即 确 保 多 边 形 为 简 单 多 边 形 ； 多 边 形 为 凸 多 边 形 ，即 任 给 多 边 形 的 两 个 内 部 点 ， 其 连 线 完 全 在 多 边 形 内 。多 边 形 的 描 述 方 式 如 下 ：glBegin(GL_POLYGON); glVertex*(v0); g

37、lVertex*(v1); . glVertex*(vn);glEnd();其 中 ， *表 示 glVertex函 数 的 上 述 任 一 种 组 合 形 式 ， 由 多 边形 顶 点 v0,v1,vn的 表 示 形 式 而 定 。注 意 ： 多 边 形 顶 点 应 按 一 定 顺 序 排 列 （ 如 逆 时 针 ） 。 4. 矩 形 的 绘 制由 于 矩 形 在 几 何 体 构 造 中 出 现 得 比 较 频 繁 ， 所 以 OpenGL提供 了 专 门 的 矩 形 函 数 ：void glRectdfis(TYPE x1, TYPE y1, TYPE x2, TYPE y2);void

38、glRectdfisv (TYPE *v1, TYPE *v2);矩 阵 的 左 上 、 右 下 角 点 坐 标 分 别 为 （ x1,y1） 和 (x2,y2)， 或者 用 数 组 指 针 v1、 v2表 示 。 用 上 述 函 数 描 述 的 矩 形 位 于 z=0平 面 内 ， 并 且 各 边 分 别 平 行 于 x、 y轴 。 但 注 意 ： 经 过 坐 标变 换 之 后 ， 这 些 特 性 可 能 改 变 。 例 10.2 基 本 的 图 元 绘 制 程 序 为 简 单 起 见 ， 我 们 仅 改 变 例 10.1中 的 绘 制 函 数 void CALLBACK display(v

39、oid)如 下 ：void CALLBACK display(void) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);/将 颜 色 缓 存 清 为 glClearColor命 令 所 设 置 的 颜 色 ， 即 背 景 色 glColor4f(1.0,1.0,1.0,1.0); /选 颜 色 (R,G,B)glPointSize(6.0); /设 置 点 的 大 小glBegin(GL_POINTS); /在 屏 幕 上 绘 制 三 个 点 glVertex3f(0.1,0.2,0.0); glVertex3f(0.2,0.7,0.0); glVertex3f(0.5,0.8,0

40、.0);glEnd(); glBegin(GL_LINES); /在 屏 幕 上 绘 制 一 条 线 段 glVertex2f(0.0,0.4); glVertex2f(-0.3,0.8);glEnd(); glBegin(GL_POLYGON); /在 屏 幕 上 绘 制 一 个 四 边 形 glVertex2f(-0.6,0.0); glVertex2f(-0.4,0.0); glVertex2f(-0.4,0.3); glVertex2f(-0.6,0.4); glEnd();glColor3f(1.0,0.0,0.0); /设 置 当 前 颜 色 为 红 色 glColor3f(0.0

41、,0.0,1.0); /设 置 当 前 颜 色 为 蓝 色 glRectf(0.5,0.5,0.7,0.7); /绘 制 一 个 矩 形 glColor3f(0.0,1.0,0.0); /设 置 当 前 颜 色 为 绿 色 glRectf(0.8,0.8,0.9,0.9); /绘 制 一 个 矩 形 glRectf(0.2,0.2,0.4,0.4); /绘 制 一 个 矩 形 glFlush(); /强 制 绘 图 ， 不 驻 留 缓 存 用 该 函 数 替 换 例 10.1中 相 应 的 函 数 后 ， 运 行 的 结 果 如 下图 所 示 。 10.3.3 坐 标 变 换 及 其 Open

42、GL实 现在 二 维 平 面 上 创 建 三 维 物 体 的 过 程 ：在 三 维 空 间 中 创 建 所 绘 制 物 体 的 模 型 ， 由 计 算 机 经 过 适 当 的变 换 ， 将 三 维 坐 标 系 中 的 点 转 换 为 屏 幕 上 的 相 应 位 置 ， 以 得到 理 想 的 视 觉 效 果 。OpenGL就 是 实 现 将 物 体 的 各 个 顶 点 通 过 各 种 变 换 矩 阵 的 作用 映 射 到 屏 幕 的 过 程 。 下 图 是 顶 点 变 换 过 程 。 注 意 ： 在 模式 观 察 变 换 过 程 中 ， 顶 点 的 法 向 量 也 自 动 地 进 行 变 换 。

43、 在 OpenGL编 程 过 程 中 ,程 序 员 必 须 在 头 脑 中 有 整 个 坐 标变 换 过 程 的 清 晰 的 图 像 ， 才 能 将 所 建 的 场 景 模 型 正 确 地显 示 在 屏 幕 上 。 OpenGL的 坐 标 变 换 过 程 类 似 于 用 照 相 机 拍 摄 照 片的 过 程 。 使 用 照 相 机 与 坐 标 变 换 的 步 骤 比 较 如 下 ：(1)竖 起 三 角 架 ， 将 照 相 机 对 准 场 景 （ 视 图 变 换 ,取景 变 换 ,视 点 变 换 ） 。(2) 将 要 拍 的 场 景 置 于 所 要 求 的 位 置 上 （ 造 型 变换 ） 。(

44、3) 选 择 照 相 机 透 镜 或 调 整 焦 距 （ 投 影 变 换 ） 。(4) 确 定 最 终 的 照 片 需 要 多 大 ， 例 如 放 大 照 片 （ 视口 变 换 ） 。其 中 (1)、 (2)顺 序 可 看 成 照 相 馆 中 的 照 相 过 程 ； 而在 室 外 摄 影 时 ， 由 于 先 有 景 物 ， 再 选 择 照 相 机 的 位置 与 方 向 ， 因 此 照 相 顺 序 可 看 成 (2)、 (1)。 OpenGL中 的 多 种 变 换 （ 几 何 变 换 、 投 影 变 换 等 ） 是 由 矩阵 的 乘 积 实 现 的 。 OpenGL提 供 了 一 系 列 矩 阵

45、 操 作 函 数 。(1) 通 用 的 矩 阵 操 作 命 令void glMatrixMode(Glenum mode); 参 数 取 值 ： GL_MODELVIEW、GL_PROJECTION或 GL_TEXTURE 。 默 认 的 选 定矩 阵 为 造 型 -观 察 变 换 矩 阵 。 void glLoadIdentity(void);OpenGL中 的 变 换 命 令 都 是 对 当 前 矩 阵 （ 当 前 矩 阵 为以 后 图 形 变 换 所 要 使 用 的 矩 阵 ） 进 行 操 作 ， 因 此 在选 定 可 修 改 矩 阵 后 ， 应 首 先 用 上 述 命 令 设 置 当

46、前 操 作 矩 阵 为 单 位 矩 阵 。 （ 2） 造 型 -观 察 变 换 造 型 -观 察 变 换 过 程 就 是 一 个 将 顶 点 坐 标 从 世 界 坐 标 变换 到 视 觉 坐 标 的 过 程 。 这 里 很 重 要 的 是 对 两 个 坐 标 系 的 认识 。 世 界 坐 标 系 也 称 为 全 局 坐 标 系 。 它 是 一 个 右 手 坐 标 系 ，可 以 认 为 该 坐 标 系 是 固 定 不 变 的 ， 在 初 始 态 下 ， 其 x轴 为沿 屏 幕 水 平 向 右 ， y轴 为 沿 屏 幕 垂 直 向 上 ， z轴 则 为 垂 直 屏幕 面 向 外 指 向 用 户 。

47、 视 觉 坐 标 系 (即 观 察 坐 标 系 )也 称 为 局 部 坐 标 系 。 它 是一 个 左 手 坐 标 系 ， 该 坐 标 系 是 可 以 活 动 的 。 在 初 始 态 下 ，其 原 点 及 x、 y轴 分 别 与 世 界 坐 标 系 的 原 点 及 x、 y轴 重 合 ，而 z轴 则 正 好 相 反 ， 即 为 垂 直 屏 幕 面 向 内 。 在 初 始 状 态 下 ,相 机 在 观 察 坐 标 系 的 原 点 且 指 向 z轴 正向 ,即 为 垂 直 屏 幕 面 向 内 。 平 移 变 换 void glTanslatefd(TYPE x, TYPE y, TYPE z);

48、旋 转 变 换void glRotatefd(TYPE angle, TYPE x, TYPE y, TYPE z); 绕 矢 量 v=(x,y,z)T逆 时 针 方 向 旋 转 angle指 定 的 角 度 。 旋 转 角度 的 范 围 是 0360度 。 当 angle=0时 ， glRotate()不 起 作 用 。 缩 放 变 换 void glScalefd( TYPE x, TYPE y, TYPE z); 变 换 的 顺 序 ：glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();glMultMatrixf(N); /* apply transf

49、ormation N */glMultMatrixf(M); /* apply transformation M */glMultMatrixf(L); /* apply transformation L */glBegin(GL_POINTS);glVertex3f(v); /* draw transformed vertex v */glEnd(); 在 这 个 过 程 中 ， 在 GL_MODELVIEW状 态 下 ， 相 继 引 入了 I（ 单 位 阵 ） ,N,M,L矩 阵 。 变 换 后 的 顶 点 为 NMLv(顶 点 取 列 向 量 )。 因 此 ， 顶 点 的 变 换 为 N

50、(M(Lv)， 即 是 先 作 变 换 L， 然 后是 变 换 M， 最 后 才 是 N。 这 里 ， 顶 点 v 的 实 际 变 换 顺 序 正 好 与指 定 的 顺 序 相 反 。 （ 3） 投 影 变 换在 调 用 投 影 变 换 命 令 前 必 须 先 在 程 序 中 加 入 下 述 语句 ：glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();这 两 条 命 令 一 方 面 指 定 接 下 来 的 变 换 命 令 只 影 响 投影 矩 阵 ， 同 时 也 将 当 前 投 影 矩 阵 设 置 为 单 位 阵 。 透 视 投 影void gluPers

51、pective (Gldouble fovy, Gldouble aspect, Gldouble zNear, Gldouble zFar) ; 正 交 投 影 void glOrtho (Gldouble left, Gldouble right, Gldouble bottom, Gldouble top, Gldouble near, Gldouble far) ; 对 于 二 维 图 形 向 二 维 屏 幕 的 投 影 ， 则 应 使 用 实 用 库 中 的 如下 函 数 ：void gluOrtho2D(Gldouble left, Gldouble right, Gldouble

52、 bottom, Gldouble top);前 面 提 到 过 ， 用 二 维 顶 点 命 令 绘 制 的 二 维 物 体 的 z坐 标 均 为 零 ， 而 gluOrtho2D()命 令 假 定 场 景 中 的 z 坐 标 介 于 -1.0和 1.0 之 间 。 （ 4） 视 口 变 换 void glViewport(GLint x, Glint y, Glsizei width, Glsizei height); 窗 口 和 视 口 是 两 个 不 同 的 概 念 。注 意 ： 应 该 使 视 口 的 长 宽 比 与 取 景 体 积 的 长 宽 比 相 等 ，否 则 会 使 图 像 变

53、 形 。 10.3.4 应 用 变 换 的 一 个 实 例本 节 将 通 过 一 个 简 单 的 程 序 进 一 步 阐 述 OpenGL的 基 本 变 换 命 令 及其 使 用 方 法 。 例 10.3 三 维 空 间 绘 制 立 方 体 的 程 序 cube.c#include #include #include #include #include void myinit(void);void CALLBACK myReshape(int w, int h);void CALLBACK display(void); /初 始 化void myinit(void) glClearColor(

54、0.0,0.0,0.0,0.0); /将 窗 口 清 为 黑 色 glShadeModel(GL_FLAT); /常 量 明 暗 处 理 方 式void CALLBACK display(void) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); /将 颜 色 缓 存 清 为 glClearColor命 令 所 设 置 的 颜 色 ， 即 背 景 色 glColor3f(1.0,1.0,1.0); /选 当 前 颜 色 (R,G,B)为 白 色 glLoadIdentity(); /设 置 当 前 矩 阵 为 单 位 矩 阵 glTranslatef(0.0, 0.0, -3.0)

55、; /平 移 变 换 glRotatef(45,1.0,1.0,0.0); /旋 转 变 换 glScalef(1.0,2.0,1.0); /缩 放 变 换 auxWireCube(1.0); /绘 制 立 方 体 glFlush(); /强 制 绘 图 ， 不 驻 留 缓 存void CALLBACK myReshape (int w, int h) /用 于 窗 口 改 变 大 小 时 的 处理 ， 与 绘 图 无 关 glMatrixMode(GL_PROJECTION); /指 明 当 前 矩 阵 操 作 是 针 对 投影 矩 阵 进 行 的 glLoadIdentity(); /设

56、置 当 前 矩 阵 为 单 位 矩 阵 gluPerspective(70.0, (GLfloat)w/ (GLfloat)h, 1.5, 40.0); / 投 影 变 换 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); / 返 回 视 点 -模 型 矩 阵 glViewport(0,0,w,h); /定 义 视 口 变 换 void main(void) auxInitDisplayMode(AUX_SINGLE|AUX_RGBA); /窗 口 显 示 单 缓 存 和 RGB(彩 色 )模 式 auxInitPosition(0,0,200,200); /大 小 x=200、 y=2

57、00 ， (0,0)是 屏 幕 左上 点 auxInitWindow(“Perspective 3-D Cubes”); /初 始 化 窗 口 ， 参 数 是标 题 myinit(); auxReshapeFunc(myReshape); auxMainLoop(display); 10.3.5 光 照 处 理光 照 处 理 是 OpenGL中 绘 制 逼 真 的 三 维 图 形 的 一 个重 要 步 骤 。 否 则 ， 就 无 法 使 最 终 显 示 在 屏 幕 上 的 物体 表 现 出 立 体 感 。在 RGBA模 式 下 ， 如 果 不 启 用 光 照 处 理 ， 则 顶 点 的颜 色

58、由 当 前 颜 色 值 所 确 定 ； 启 用 光 照 处 理 后 ， 则 另行 计 算 。场 景 中 物 体 的 光 照 计 算 不 仅 取 决 于 光 源 的 属 性 ， 而且 与 材 料 的 特 性 直 接 相 关 。 即 光 照 计 算 要 反 映 出 在场 景 中 使 用 的 光 照 特 性 ， 以 及 场 景 中 的 物 体 对 这 种光 的 反 射 和 吸 收 特 性 。 1. OpenGL光 照 的 基 本 概 念OpenGL中 将 光 视 为 由 红 、 绿 、 蓝 三 种 成 分 所 组 成 ， 光源 的 特 性 由 所 发 出 的 三 种 颜 色 的 光 的 比 例 来

59、确 定 。说 明 ： 光 源 的 RGB值 代 表 各 种 颜 色 占 最 大 光 强 的 比 例 ，通 过 调 整 各 数 值 可 以 使 光 源 呈 现 出 各 种 不 同 的 颜 色 。例 如 ： R=G=B=1时 得 到 最 强 的 白 光 ， 而 R=G=B=0.5时 ，由 于 光 强 减 弱 ， 得 到 灰 白 光 。OpenGL在 光 照 模 拟 中 将 光 线 分 为 辐 射 光 、 环 境 光 、 漫反 射 光 和 镜 面 反 射 光 4 种 独 立 的 成 分 。 辐 射 光 ： 源 自 发 光 体 ， 并 且 不 受 其 他 光 源 的 影 响 。环 境 光 （ 泛 光

60、） ： 它 经 过 环 境 的 多 次 散 射 ， 已 不 可 能确 定 其 方 向 ， 而 是 好 像 来 自 各 个 方 向 。 它 作 用 于 物 体 的表 面 时 ， 将 沿 各 个 方 向 均 匀 反 射 。漫 反 射 光 ： 它 来 自 一 个 方 向 ， 但 作 用 于 物 体 表 面 后 将沿 各 个 方 向 均 匀 散 射 。镜 面 反 射 光 ： 来 自 一 个 方 向 ， 并 沿 一 特 定 方 向 离 开 。顺 便 指 出 ， 可 以 在 场 景 中 设 置 多 个 独 立 的 光 ， 通 过 调 整各 光 源 的 参 数 ， 得 到 满 意 的 光 照 效 果 。 物

61、 体 表 面 的 材 质 特 性 ：OpenGL中 认 为 ， 材 料 的 颜 色 决 定 于 其 对 入 射 光 中 的 红 、绿 、 蓝 各 成 分 的 反 射 比 例 。 例 如 ， 对 于 理 想 的 红 色 物 体 来说 ， 它 完 全 反 射 红 色 光 ， 完 全 吸 收 绿 色 光 和 蓝 色 光 。 因 而 ，白 光 照 射 下 物 体 呈 红 色 ； 纯 绿 光 照 射 下 物 体 则 呈 黑 色 。说 明 ： 材 料 的 设 置 参 数 中 也 包 括 对 R、 G、 B值 的 设 定 ，但 与 光 照 的 参 数 设 置 相 比 ， 两 者 的 含 义 是 不 同 的

62、。 对 材 料来 说 ， 上 述 各 值 分 别 对 应 材 料 对 各 种 颜 色 光 的 反 射 比 例 。如 上 述 理 想 的 红 色 物 体 对 应 的 参 数 为 R=1,G=0,B=0。 一 般地 ， 如 果 光 源 和 材 料 的 参 数 分 别 为 (Rl,Gl,Bl)和(Rm,Gm,Bm)， 若 不 考 虑 其 它 影 响 因 素 ， 则 观 察 到 的 光 线的 参 数 为 （ Rl*Rm,Gl*Gm, Bl*Bm） 。 与 光 线 的 情 况 相 似 ， 材 料 也 具 有 辐 射 色 、 环 境 色 、 漫 反射 色 和 镜 面 反 射 色 。为 了 模 拟 场 景

63、中 的 发 光 体 ， 可 以 设 定 材 料 的 辐 射 光 特 性 ；而 环 境 色 、 漫 反 射 色 和 镜 面 反 射 色 则 反 映 材 料 对 环 境 光 、漫 反 射 光 和 镜 面 反 射 光 的 反 射 系 数 。材 料 的 泛 光 与 每 个 入 射 光 源 的 泛 光 组 分 相 结 合 ； 漫 反 射与 入 射 光 源 的 漫 反 射 光 组 分 相 结 合 ； 镜 面 反 射 与 入 射 光源 的 镜 面 反 射 光 组 分 相 结 合 。 2. 光 照 步 骤 的 处 理以 下 程 序 绘 制 一 个 有 光 照 的 球 体 :#include #include

64、#include #include void myinit(void);void CALLBACK myReshape(int w, int h);void CALLBACK display(void); void myinit(void) /初 始 化glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); /将 窗 口 清 为 黑 色 Glfloat mat_specular=1.0, 1.0, 1.0, 1.0; Glfloat mat_shininess=50.0; Glfloat light_position = 1.0, 1.0,1.0,0.0;/无 穷 远 光 源 glMat

65、erialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular); glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHININESS,mat_shininess); glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position); glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); glDepthFunc(GL_LESS); glEnable(GL_DEPTH_TEST); void CALLBACK display(void)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_B

66、UFFER_BIT);/将 颜 色 缓 存 清 为 glClearColor命 令 所 设 置 的 颜 色 ， 即 背景 色glColor4f(0.2,0.8,1.0,1.0); /选 颜 色 (R,G,B)auxSolidSphere(1.0); glFlush(); /强 制 绘 图 ， 不 驻 留 缓 存 void CALLBACK myReshape (int w, int h) /定 义 视 口 变换 和 投 影 变 换glViewport(0,0,w,h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();if(w=h)glOrtho(-1.5, 1.5, -1.5*(GLfoalt)h/(GLfloat)w, 1.5*(GLfoalt)h/(GLfloat)w,-10.0,10.0);elseglOrtho(-1.5*(GLfoalt)h/(GLfloat)w, 1.5*(GLfoalt)h/(GLfloat)w, -1.5, 1.5,-10.0,10.0);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glIdentity