圖形學實驗指導(dǎo)書2009(1

1、 2009(1) 圖形學實驗指導(dǎo)書 OpenGL簡介 一、OpenGL概述 OpenGL是圖形硬件的一個軟件接口（GL代 表圖形庫，Graphics Library）。使用OpenGL，可以對計算機圖形技術(shù)進行控制，產(chǎn)生逼真的現(xiàn)實世界的圖象或虛擬的現(xiàn)實世界所沒有的圖象。OpenGL包括了大約250個不同的函數(shù)，程序員可以用這些函數(shù)指定物體和操作，創(chuàng)建交互性三維應(yīng)用程序，而不必為許多應(yīng)用程序中通用的標準函數(shù)編寫代碼，同時使應(yīng)用程序避免接觸過多的硬件細節(jié)。 OpenGL主要關(guān)注圖象的渲染，即根據(jù)幾何圖形對象的規(guī)范及其屬性，使用虛擬的照相機和光源來構(gòu)成一幅圖象。OpenGL是跨平臺的一種應(yīng)用程序接口

2、（Application Programmers Interface, API），因此不包含輸入和視窗操作。對于視窗管理，我們選用OpenGL應(yīng)用工具包GLUT（OpenGL Utility Toollkit）。 二、OpenGL的組成 在微機版本中，OpenGL主要由三個函數(shù)庫組 成，它們是核心庫、實用函數(shù)庫和編程輔助庫。 OpenGL的核心庫包含了OpenGL最基本的命令函數(shù)。在這個庫中，提供了一百多個函數(shù)，這些函數(shù)的函數(shù)名都以“gl”為前綴。這些函數(shù) 用來建立各種各樣的幾何模型、進行坐標變換、產(chǎn)生光照效果、進行紋理映射、產(chǎn)生霧化效果等幾乎所有的二維和三維圖形操作。這一百多個基本函數(shù)由于使

3、用各自不同的參數(shù)而導(dǎo)致格式的變形，派生出數(shù)百個命令。而且，對于不同的硬件和軟件平臺，這些函數(shù)的使用是完全相同的，這個特性決定了OpenGL的可移植性。 OpenGL的核心庫提供了創(chuàng)建基本幾何圖元的函數(shù)，通過基本幾何圖元的各種組合創(chuàng)建其它幾何模型，幾何模型也可稱為物體。為了減少編程負擔，OpenGL實用函數(shù)庫提供了40多個創(chuàng)建常用的幾何對象函數(shù)，立方體、二次曲面等。OpenGL實用庫中函數(shù)的函數(shù)名以“glu”為前綴，所有函數(shù)都是利用核心庫中函數(shù)編寫，使用方法和核心庫中函數(shù)的使用方法相同。 由于OpenGL是一個圖形標準，獨立于任何操作系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)，OpenGL中沒有提供窗口管理和消息事件響應(yīng)的

4、函數(shù)，也沒有從鼠標和鍵在不同的操作系統(tǒng)都因此，盤讀取事件的功能。 設(shè)計OpenGL了額外的編程輔助庫 提供一些基本的窗口管理函數(shù)、事件處理函數(shù)，例如定義窗口的大小、處理鍵盤和鼠標事件等。Windows 操作系統(tǒng)下的編程輔助庫中函數(shù)的函數(shù)名以“aux”為前綴。這些編程輔助庫是依賴于具體操作系統(tǒng)的，為了支持跨平臺，SGI公司的Mark Kilgard編寫了GLUT，GLUT中函數(shù)的函數(shù)名以“glut”為前綴?，F(xiàn)在，在Windows操作系統(tǒng)GLUT已經(jīng)取代了AUX庫。 三、OpenGL的功能 1、根據(jù)幾何圖元創(chuàng)建形狀，建立物體的幾何模型。OpenGL中包括兩種圖元：幾何圖元和圖象圖元。幾何圖元包括：

5、點、直線段、三角形、四邊形和多邊形，這些圖元通過頂點指定。圖象圖元，例如位圖。 2、在三維空間中排列物體，并選擇觀察復(fù)合場景的有利視角； 3、計算所有物體的顏色。顏色可以由應(yīng)用程序明確指定，也可以根據(jù)特定的光照條件來確定，或通過把紋理表面貼到物體表面得到。 、把物體的數(shù)學描述以及和它們相關(guān)的顏色4 信息轉(zhuǎn)換為屏幕上的像素。 四、基于C語言和OpenGL的圖形程序開發(fā)基礎(chǔ) 1、基于C語言和OpenGL的圖形程序結(jié)構(gòu)：根據(jù)需要在C語言程序中嵌入OpenGL命令。 2、程序中一般包括以下三個部分： （1）應(yīng)用程序初始化； （2）生成并繪制圖象； （3）main函數(shù)中調(diào)用（1）和（2）中的函數(shù)。 3、

6、OpenGL命令格式和數(shù)據(jù)類型 OpenGL命令就是OpenGL中的函數(shù)調(diào)用，命令名稱就是函數(shù)名，命令中的參數(shù)就是函數(shù)調(diào)用所需的參數(shù)。 OpenGL函數(shù)命名約定：函數(shù)名餓頭幾個字母說蜜柑內(nèi)該函數(shù)來自哪個庫，后面部分包含一個根命令，一般是一個英文單詞(第一個字母必須大寫)，表示該函數(shù)的功能，后綴中的數(shù)字和字母分別表示參數(shù)的個數(shù)和類型。例如： 命令glColor3f(1.0,1.0,1.0); ”Color“”表示該函數(shù)屬于核心庫，gl前綴“ ”表示該命令有“3f表示該命令的功能為著色，是函三個參數(shù)，參數(shù)類型為浮點數(shù)，(1.0,1.0,1.0)語”是C數(shù)調(diào)用時的具體參數(shù)，最后的分號“; 命令的后綴

7、言格式中所要求的。如果OpenGL表示該命令有一個指向矢量或，”有一個字母“v 數(shù)組的指針參數(shù)，例如：說明一個/=1.0,1.0,1.0; GLfloat color 是數(shù)據(jù)類型color，GLfloat浮點型的數(shù)組color 數(shù)組 / glColor3fv(color); 作為參數(shù)個或命令中的參數(shù)個數(shù)可能使個、3OpenGL 4個，參數(shù)類型見下表： OpenGL命令后綴及對應(yīng)的數(shù)據(jù)類OpenG對應(yīng)語言類類OpenG型 Signed b 8位整數(shù)GLbyte char short 整16位GLshort s 數(shù)long 32，i 整位GLintGLsizei 數(shù) f 32位浮GLfloat，f

8、loat GLclampf 點數(shù)64位浮GLdouble，d double GLclampd點位無ubGLubytunsignedcharGLboolean號整1GLshortusunsignedshortunsignedui3GLuint,longGLenum,GLbitfield 4、OpenGL中定義的符號常量 OpenGL中的符號常量，以大寫字母GL_或GL_開頭，表示屬于哪個庫，所有字母都大寫，單詞之間用下劃線連接。例如，GL_COLOR_BUFFER_BIT，表示顏色緩沖區(qū)。 5、頭文件gl.h、glu.h和glut.h OpenGL核心庫的函數(shù)、類型和宏（符號常量）的原型包括在頭

9、文件gl.h中，實用函數(shù)庫的原型的原GLUT應(yīng)用工具包中，glu.h包括在頭文件 形4包括在頭文件glut.h中。 OpenGL是一個標準的程序庫，Windows系統(tǒng)運行OpenGL程序，需要在windowssystem32 文件夾包含動態(tài)連接庫opengl32.dll和glu32.dll，使用GLUT的用戶還需要包含動態(tài)連接庫glut32.dll。編譯OpenGL程序需要有頭文件gl.h和glu.h，使用GLUT的用戶需要頭文件glut.h，因為glut.h包括了gl.h和glu.h，所以僅用glut.h即可；還需要庫文件opengl32.lib、glu32.lib和glut32.lib。

10、五OpenGl命令 命令：glClearColor 函數(shù)原型：void glClearColor(GLclampf red,GLclampf green,GLclampf blue, GLclampf alph); 功能：將緩存的當前清楚顏色設(shè)置為給定的顏色值（red,green,blue,alpha）； 參數(shù)：（red,green,blue）指定RGB顏色空間的一個顏色值，alpha指定透明度。 命令：glClear 函數(shù)原型：void glClear(GLbitfield mask); 功能：用當前的清楚值清楚1種或多種緩沖區(qū)。 參數(shù)：mask指定需要清除的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)對應(yīng)的mask值見

11、表1.1。如果需要 同時清除多種緩沖區(qū)，則將表中的多個值通過邏輯或（|）組合在一起表 示msk值。例如：同時清除顏色緩沖區(qū)和深度緩沖區(qū)。 mask=GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT。 命令：glColor3f 函數(shù)原型：void glColor3f(GLfloat red,GLfloat green,GLfloat blue); 功能：將當前的顏色值設(shè)置為指定的RGBA模式顏色值（red,green,blue,1.0f）， 其中1.0f為默認的混合因子數(shù)值。 三個分量每個分量的取值范圍B、G、R，指定顏色值的）red,green,blue（參數(shù)：

12、均為區(qū)間0.0,1.0。 命令：SwapBuffers 函數(shù)原型：Bool SwapBuffers(HDC hdc); 功能：交換緩沖區(qū)，將繪制完成的緩存圖像顯示在屏幕上。要求采用雙緩存機制。 參數(shù)：hdc指定設(shè)備上下文。 返回值：如果函數(shù)執(zhí)行成功，返回TRUE，否則，返回FALSE。 命令：glOrtho 函數(shù)原型：void glOrtho(GLdouble left,GLdouble right,GLdouble bottom, GLdouble top,GLdouble zNear,GLdouble zFar); 功能：產(chǎn)生正平行投影變換矩陣。 參數(shù)：left、right分別為裁剪矩形體

13、的左、右側(cè)兩個裁剪平面的X軸坐標值。 bottom、top分別為裁剪矩形體的底、頂端兩個裁剪平面的Y軸坐標值。 （zNear）、（zFar）分別為裁剪矩形體的近、遠端兩個裁剪平面的 Z軸坐標值。 命令：glFrustum 函數(shù)原型：void glFrustum(GLdouble left,GLdouble right,GLdouble bottom, GLdouble top,GLdouble zNear,GLdouble zFar); 功能：產(chǎn)生透視投影變換矩陣。 參數(shù)：left、right分別為裁剪四棱臺上底面矩形的左、右側(cè)兩條邊的X軸坐標值。 bottom、top分別為裁剪四棱臺上底面矩

14、形底、頂端兩條邊的Y軸坐標值。 （zNear）、（zFar）分別為裁剪矩形體的近、遠端兩個裁剪平面的 Z軸坐標值。 命令：gluPerspective 函數(shù)原型：void gluPerspective(GLdouble fovy,GLdouble aspect, GLdouble zNear,GLdouble zFar); 功能：產(chǎn)生對稱透視投影變換矩陣。 參數(shù)：fovy裁剪四棱臺在Y方向上的兩個側(cè)面夾角的度數(shù)，0fovy180。 aspect裁剪四棱臺上底面 命令：glViewport 函數(shù)原型：void glViewport(GLint x0,GLint y0,GLsizei width,

15、GLsizei height); 功能：產(chǎn)生視口變換，將在三維空間中可以顯示在屏幕上的點映射到視口中。 參數(shù)：x0，y0 視口左下角點在視圖窗口坐標下的坐標值； width 視口的寬度； height 視口的高度。 命令：glVertex3d 函數(shù)原型：void glVertex3d(GLdouble x,GLdouble y,GLdouble z); 功能：用在一對函數(shù)glBegin和glEnd之間，用來指定一個頂點的坐標值。 參數(shù)：x，y，z 頂點坐標的三個分量。 命令：glBegin和glEnd 函數(shù)原型：void glBegin(GLenum mode); void glEnd(voi

16、d); 功能：函數(shù)glBegin和glEnd 共同組成一個函數(shù)對。在函數(shù)glBegin和glEnd之 間的語句定義了一個或一組圖形元素的頂點坐標、顏色和法向量等信息。 同時函數(shù)glBegin的參數(shù)mode 指定圖形元素的類型。 參數(shù)：mode 指定圖形元素的類型。參數(shù)mode 所有可能取值及其含義如下： GL_POINTS：要求在glBegin和glEnd之間至少包含一個頂點，每個頂點 都是孤立的點。 GL_LINES：要求在glBegin和glEnd之間至少包含兩個頂點，如果有2n 個頂點，生成n條直線段。 GL_LINE_LOOP：要求在glBegin和glEnd之間至少包含兩個頂點，依次

17、 相連生成一個封閉的環(huán)。 GL_LINE_STRIP：要求在glBegin和glEnd之間至少包含兩個頂點，依次 相連生成一條折線段。 GL_TRIANGLES：要求在glBegin和glEnd之間至少包含三個頂點，如果 有3n個頂點，生成n個三角形。 GL_TRIANGLE_STRIP：要求在glBegin和glEnd之間至少包含三個頂點， 如果有n個頂點，生成(n2)個三角形組成的帶。 GL_TRIANGLE_FAN：要求在glBegin和glEnd之間至少包含三個頂點， 如果有n個頂點，生成(n2)個三角形組成的扇。 GL_QUADS：要求在glBegin和glEnd之間至少包含四個頂點

18、，如果 有4n個頂點，生成n個四邊形。 GL_QUAD_STRIP：要求在glBegin和glEnd之間至少包含四個頂點， 如果有n個頂點，生成(n1)個四邊形組成的帶。 GL_POLYGON：要求在glBegin和glEnd之間至少包含三個頂點，對于n 個頂點，一次相連組成一個多邊形。 實驗一 實驗?zāi)康模菏煜C+控制臺編程環(huán)境，掌握基 于C語言的OpenGL編程結(jié)構(gòu)。 實驗內(nèi)容： 1.GLUT工具包的安裝； 2.基于VC+控制臺的C語言編程； 3.VC+控制臺編程環(huán)境與OpenGL的連接； 4.基于VC+控制臺的OpenGL編程； 實驗過程： 一.閱讀以下程序,掌握基于C語言的OpenGL

19、編程結(jié)構(gòu)： 1.源程序 #include #include void display(void) glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glFlush(); void main(int &argc,char *argv) glutInit(&argc,argv); glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB); glutCreateWindow(hello); glutDisplayFunc( display); displayMainLoop(); 2.程序內(nèi)容理

20、解 (1) 兩個包含文件 #include 包含了windows環(huán)境下編程所需要的信息。 #include 包含了OpenGL編程所需要的信息。 (2) main函數(shù) glutInit(&argc,argv); 初始化GLUT庫,使系統(tǒng)識別GLUT庫中的命令。 glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB); 告訴GLUT庫在創(chuàng)建窗口時使用的顯GLUT_SINGLE示模式和顏色模型，其中參數(shù) 指定單緩沖顯示模式，繪圖命令在用于顯示的窗口執(zhí)行。參數(shù)GLUT_RGB指定RGBA顏色模型。單緩沖顯示模式不能做動畫，第一個參數(shù)的 另一種選擇是GLUT_DOUBLE，

21、指定雙緩沖顯示模式，可以作動畫。第二個參數(shù)的其它選擇現(xiàn)在不常用，RGBA顏色模型通過設(shè)置紅、綠,、三種顏色的成分來確定顏色。 glutCreateWindow(hello); 創(chuàng)建應(yīng)用程序窗口，參數(shù)指定窗口標題。 glutDisplayFunc( display); 通過調(diào)用用戶程序繪制圖形。 displayMainLoop(); 只能放在main函數(shù)的最后，所有已經(jīng)創(chuàng)建的窗口將在此時顯示，對創(chuàng)建窗口的繪制開始生效，事件處理開始啟動。 （3）display函數(shù) glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f); 設(shè)置顏色緩沖區(qū)的顏色為藍色，即設(shè)置背景色， 參數(shù)(0.0f, 0

22、.0f, 1.0f, 1.0f)指定顏色中 紅、綠、藍的成分，每個成分在01（伙伴0255）之間取值；最后一個參數(shù)指定是否透明，0表示透明， 表示不透明。1 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); 用glClearColor命令指定的顏色清除顏色緩沖區(qū)中原來的顏色，參數(shù) GL_COLOR_BUFFER_BIT代表顏色緩沖區(qū)。 glFlush(); 用于刷新OpenGL中的命令隊列，使所有未被執(zhí)行OpenGL命令得到執(zhí)行。由于OpenGL內(nèi)部使用渲染（繪圖）流水線的順序處理命令，OpenGL的命令常常會排隊并成批處理，以便優(yōu)化性能。glFlush函數(shù)告訴OpenGL應(yīng)該處理到

23、目前為止收到的命令。命令glFinish()；除了具有g(shù)lFlush()的功能外，還等待圖形硬件和網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，但是性能沒有g(shù)lFlush()高。 3.運行程序 (1) 安裝GLUT工具包（只需一次）：先下載，解壓。 解壓后包含三個文件：glut.h，glut32.lib，glut32.dll。 安裝過程： * 將glut32.dll復(fù)制到Windows系統(tǒng)的system32文件夾中； 文件夾中；lib的VC復(fù)制到glut32.lib將* * 將glut.h復(fù)制到VC的includeGL文件夾中。 （2）啟動VC+，創(chuàng)建基于控制臺的程序框架 * 啟動VC+ （3）設(shè)置OpenGL編程環(huán)境 * 在

24、應(yīng)用程序窗口，選擇“Project”“Settings”“Link” * 在“Object/Library Modules”一欄中加入：opengl32.Lib、glu32.Lib、glut32.Lib，兩個文件名以及與原有內(nèi)容之間用空格間隔。 （4）運行程序 * 輸入代碼； * 編譯和連接：在應(yīng)用程序窗口，選擇“Build”“Compile”或“Build”。 * 運行：在應(yīng)用程序窗口，選擇“Build”“Execute”或工具欄按鈕“！”執(zhí)行程序。 （5）編譯、修改 * 窗口最下方顯示編譯和連接信息，如果編譯出錯，雙擊錯誤信息，系統(tǒng)自動定位到程序中的出錯語句，修改后再次編譯。 4.程序運行

25、結(jié)果：該程序僅創(chuàng)建一個系統(tǒng)默認的 應(yīng)用程序窗口。 5.保存 在應(yīng)用程序窗口，選擇“save Project” 6修改display函數(shù)中的glClearColor命令中參 數(shù)，觀察應(yīng)用程序窗口的顏色變化。 7.清除程序（內(nèi)存） 在應(yīng)用程序窗口，選擇“Clear Project” 二閱讀以下程序,掌握應(yīng)用程序窗口參數(shù)的設(shè)置和渲染對象的顏色設(shè)置（前景色） 1.源程序 #include #include void init() glClearColor(0.0,0.0,1.0,1.0); void display(void) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); giColor

26、4f(0.0,1.0,1.0,1.0); glRotatef(60,1.0,1.0,1.0); glutWireCube(0.8); glFlush(); void main(int &argc,char *argv) glutInit(&argc,argv); glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB); glutIniWindowSize(200,200); glutIniWindowPosition(100,100); glutCreateWindow(cube); init(); glutDisplayFunc( display); displa

27、yMainLoop(); 2.程序內(nèi)容理解 （1）main函數(shù) glutIniWindowSize(200,200); 設(shè)置應(yīng)用程序 窗口的大小，參數(shù)表示寬和高。 glutIniWindowPosition(100,100); 設(shè)置應(yīng)用程序窗口的位置，參數(shù)表示窗口的左上角坐標。 （2）init函數(shù) init函數(shù)設(shè)置應(yīng)用程序的初始化，其中包括應(yīng)用程序啟動時執(zhí)行的代碼，并且往往只執(zhí)行一遍。因為顏色緩沖區(qū)的顏色設(shè)置不經(jīng)常變化，所以將其放入init函數(shù)中。從main函數(shù)中的調(diào)用次序可以看出，與程序一中代碼的寫法沒有本質(zhì)區(qū)別。 （3）display函數(shù) giColor4f(0.0,1.0,1.0,1.0

28、); 設(shè)置渲染對象的顏色，其中參數(shù)(0.0,1.0,1.0,1.0)的含義和解釋與glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f); 相同。 glRotatef(60,1.0,1.0,1.0); 將繪制圖象旋轉(zhuǎn)60度。 參數(shù)(60, 1.0, 1.0, 1.0)表示（旋轉(zhuǎn)角度，x軸，y軸，z軸）。 其中，對應(yīng)x軸、y軸、z軸的數(shù)值，如果為1表示饒該軸旋轉(zhuǎn)，為0表示不饒該軸旋轉(zhuǎn)。 glutWireCube(0.8); 繪制一個邊長為0.8的線框（Wire）立方體（Cube）。 運行、保存和清除程序同程序一。3. 4. 觀察并分析程序運行結(jié)果。 5.修改程序 （1）修改立方體的顏

29、色； （2）修改立方體的旋轉(zhuǎn)角度； （3）修改應(yīng)用程序窗口的大小和在屏幕顯示位置。 三glutWireCube(GLdouble size);繪制GLUT中的三維物體 1.GLUT中的三維物體： 命令中“Solid”表示實心物體，“Wire”圖形。下面僅給出函數(shù)原型，命令的使用利用C語言知識調(diào)用。 （1）立方體 函數(shù)原型：glutWireCube(GLdouble size); glutSolidCube(GLdouble size); 功能：繪制一個邊長為siaze的立方體，立方體中心位于原點。 參數(shù)說明：size為立方體的邊長。 （2）圓錐體 數(shù)原型：glutWireCone(GLdoub

30、le base,GLdouble height,GLint slices,GLint stacks); glutSolidCone(GLdouble base,GLdouble height,GLint slices,GLint stacks); 圓錐底面中心位于坐標繪制一個圓錐體，功能： 軸上。(0,0,0)，圓錐頂點位于z原點 圓錐高。圓錐底面半徑，height參數(shù)說明：base沿軸的剖面數(shù)，stacksslices 環(huán)繞z z軸的剖面數(shù)。著 3）正十二面體（glutWireDodecahedron(void); 函數(shù)原型：glutSolidDodecahedron(void); 功能：繪

31、制一個正十二面體，中心位于原點，徑為3參數(shù)說明：沒有參數(shù)。 （4）正二十面體 函數(shù)原型：glutWireIcosahedron(void); glutSolidIcosahedron(void); 功能：繪制一個正二十面體，中心位于原點，半徑為1。 參數(shù)說明：沒有參數(shù)。 （5） glutWireOctahedron(void); 函數(shù)原型： glutSolidOctahedron(void); 功能：繪制一個正八面體，中心位于原點，半徑 。為1 參數(shù)說明：沒有參數(shù)。 6）（glutWireSphere(GLdouble 函數(shù)原型：radius,GLint slices,GLint stacks

32、); glutSolidSphere(GLdouble radius,GLint slices,GLint stacks); 功能：繪制一個球體，球體的中心位于原點，半 。徑為radius 參數(shù)說明：軸的剖面數(shù)，zslices環(huán)繞Radius 球體半徑， 軸的剖面數(shù)，沿著z即球體的經(jīng)線數(shù)目，stacks 即球體的緯線數(shù)目。 ）（7glutWireTetrahedron(void); 函數(shù)原型：glutSolidetrahedron(void); 功能：繪制一個正四面體，中心位于原點，半徑為。 3 參數(shù)說明：沒有參數(shù)。 （8） 函數(shù)原型： glutWireTorus(GLdouble innerRadius,GLdouble outerRadius,GLint slices,GLint stacks); glutSolidTorus(GLdouble innerRadius,GLdouble outerRadius,GLint slices,GLint stacks)