圖形學實驗指導書2009(1)

1、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)建交互性三維應用程序， 而不必為許多應用程序中通用的標準函數(shù)編寫代碼， 同時 使應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。Open GL是 跨平臺的一種應用程序接

2、口( AppI ication Programmer's 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

3、二維和三維圖形操作。 這一百多個基本函數(shù)由于使用各自不同的參數(shù)而導致格式的變形， 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

4、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的函數(shù)， 也沒有從鼠標和鍵盤讀取事件的功能。 因此， 在不同的操 作系統(tǒng)都設(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。現(xiàn)在，在Windows 操作系統(tǒng) GLUT 已經(jīng)取代了 AUX

5、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：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，并選擇觀察復合場景的有利視角；3、計算所有物體的顏色。顏色可以由應用程序明確指定，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。4、把物體的數(shù)學描述以及和它們相關(guān)的顏色信息轉(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).疋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 Open

6、GL命令。2、程序中一般包括以下三個部分：（1）應用程序初始化；（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、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）;前綴“gl”表示該函數(shù)屬于核心庫， 令有三個參數(shù)，參數(shù)類型為浮點數(shù)，

7、是C語言格式中所要求的。如果 指向矢量或數(shù)組的指針參數(shù)，例如：GLfloat color =1.0,1.0,1.0;glColor3fv（color）;“Color ”表示該命令的功能為著色，“ 3f”表示該命（1.0,1.0,1.0）是函數(shù)調(diào)用時的具體參數(shù)，最后的分號“；”O(jiān)penGL命令的后綴有一個字母“ v”，表示該命令有一個OpenGL命令中后綴表示的數(shù)據(jù)類型對應的OpenGL類型對應的C語言類型b8位整數(shù)GLbyteSigned chars16位整數(shù)GLshortshorti32位整數(shù)GLint， GLsizeilongf32位浮點數(shù)GLfloat，GLclampffloatd64位

8、浮點數(shù)GLdouble， GLclampddoubleub8位無符號整數(shù)GLubyte， GLbooleanun sig ned charus16位無符號整數(shù)GLshortun sig ned shortui32位無符號整數(shù)GLui nt, GLe num, GLbitfieldun sig ned long說明一個浮點型的數(shù)組color, GLfloat是數(shù)據(jù)類型/數(shù)組color作為參數(shù)3個或4個，參數(shù)類型見下表：OpenGL命令后綴及對應的數(shù)據(jù)類型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。

9、例如，5、頭文件 gl.h、glu.h 和 glut.hOpenGL核心庫的函數(shù)、類型和宏GL_COLOR_BUFFER_BIT ，表示顏色緩沖區(qū)。（符號常量）的原型包括在頭文件gl.h中，實用函數(shù)OpenGL命令中的參數(shù)個數(shù)可能使個、庫的原型包括在頭文件glu.h中，應用工具包 GLUT的原形4包括在頭文件glut.h中。OpenGL是一個標準的程序庫，Win dows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

10、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。五.OpenGI命令 命令： glClearColor 函數(shù)原型： void gICIearCoIor(GLcIampf red,GLcIampf green,GLcIampf bIue,GLcIampf aIph); 功能：將緩存的當前清楚顏色設(shè)置為給定的顏色值(red,green,bIue,aIpha)；參數(shù)：(red,green,blue指定RGB顏色空間的一個顏色

11、值，alpha指定透明度。 命令： gICIear 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)對應的mask值見表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 b

12、lue); 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。參數(shù)：(red,green,blue，指定顏色值的R、G、B三個分量每個分量的取值范圍 均為區(qū)間 0.0,1.0。命令： S 函數(shù)原型： Bool S(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,GLdou

13、ble 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丫軸坐標值。(-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,功能：參數(shù)：GLdo

14、uble top,GLdouble zNear,GLdouble zFar); 產(chǎn)生透視投影變換矩陣。命令：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。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形底、 頂端兩條邊的 丫 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。gluPerspectiv

15、e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)， 0<fovy<180。asp ect裁剪四棱臺上底面命令： glViewport函數(shù)原型： void glViewport(GLint x0,GLint y0,GLsizei width,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,GL

16、double 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：gIBegin 和 glEnd函數(shù)原型： void glBegin(GLenum mode);void glEnd(void);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

17、：GPOINTS :要求在gIBegin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gIBegin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 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_TR

18、IANGLE_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)個二角形組成的帶。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 (n 2)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，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(n 1)個四邊形組成的帶。GL_POLYGON :要求在 glBegin 和 glEnd 之間至少

19、包含三個頂點，對于 n 個頂點，一次相連組成一個多邊形。實驗一實驗目的：熟悉 VC+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編程結(jié)構(gòu):1. 源程序#include <windows.h>#include <gl/glut.h>void display(void) glClearColor(0.0f，0.0f，1.0

20、f，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)容理解(1) 兩個包含文件#include <windows.h> 包含了 windows 環(huán)境下編程所

21、需要的信息。#include <gl/glut.h> 包含了 OpenGL 編程所需要的信息。第一(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 顯示模式和顏色模型，其中參數(shù) GLUT_SINGLE 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， 個參數(shù)的另一種選擇是 GLUT_DOUBLE

22、 ，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)紅、綠、藍的成分，每個成分在01 (伙伴0255)0 表示透明， 1 表示不透明。用 glC

23、learColor 命令指定的顏色清除顏色緩沖區(qū)中 BIT 代表顏色緩沖區(qū)。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, 0.0f, 1.0f, 1.0f)指定顏色中之間取值；最后一個參數(shù)指定是否透明，glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); 原來的顏色，參數(shù) GL_COLOR_BUFFER_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

24、 成批處理，以便優(yōu)化性能。 glFlush 函數(shù)告訴 OpenGL 應該處理到目前為止收到的命令。命 令 glFinish() ；除了具有 glFlush() 的功能外，還等待圖形硬件和網(wǎng)絡(luò)的響應，但是性能沒有 glFlush() 高。3. 運行程序glut.h， glut32.lib ，glut32.dll 。(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： 安裝過程：Windows 系統(tǒng)的 system32 文件夾中； VC 的 lib 文件夾中；* 將 glut32.dll 復制到* 將 glut32.lib 復制到* 將 glut.h 復制到 VC 的

25、 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* 在應用程序窗口，選擇“ Project” 7 “ Settings ”* 在“ Object/Library Modules ”一欄中加入： 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：在應用程序窗口，選擇“ Build* 運行：在應用程序窗口，選擇“ Build ”7“( 5)編譯、修改7“ Link ”opengl32.Lib 、 glu32.Lib”7“ Compile ”或“ Build Execute ”或

26、工具欄按鈕“！、glut32.Lib”?！眻?zhí)行程序。* 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. 程序運行結(jié)果：該程序僅創(chuàng)建一個系統(tǒng)默認的應用程序窗口。save Project”glClearColor 命令中參數(shù)，觀察應用程序窗口的顏色變化。Clear Project ”5. 保存 在應用程序窗口，選擇“ 6修改 display 函數(shù)中的 7.清除程序(內(nèi)存) 在應用程序窗口，選擇“二閱讀以下程序 ,掌握應用程序窗口參數(shù)的設(shè)置和渲染對象的顏色設(shè)置(前景色)1. 源程序#include <windows.h&g

27、t;#include <gl/glut.h>void init() glClearColor(0.0,0.0,1.0,1.0);void display(void) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); giColor4f(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

28、_RGB); glutIniWindowSize(200,200);glutIniWindowPosition(100,100);glutCreateWindow("cube");init();glutDisplayFunc( display);displayMainLoop();2. 程序內(nèi)容理解(1) main 函數(shù)glutIniWindowSize(200,200); 設(shè)置應用程序窗口的大小，參數(shù)表示寬和高。glutIniWindowPosition(100,100); 設(shè)置應用程序窗口的位置，參數(shù)表示窗口的左上角坐 標。(2) init 函數(shù)init 函數(shù)中。從 m

29、ain 函數(shù)init 函數(shù)設(shè)置應用程序的初始化，其中包括應用程序啟動時執(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 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)(0.0,1.0,1.0,1.0)的含義和解釋giColor4f(0.0,1.0,1.0,1.0); 設(shè)置渲染對象的顏色，其中參數(shù)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

30、軸)。其中，對應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)。3. 運行、保存和清除程序同程序一。4. 觀察并分析程序運行結(jié)果。5. 修改程序(1) 修改立方體的顏色；(2) 修改立方體的旋轉(zhuǎn)角度；(3) 修改應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

31、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：glutWireCo ne(GLdouble base,GLdouble height,GLi nt slices,GLi nt stacks); glutSolidC on e(GLdouble base,GLdouble height,GL int slices,GL int stacks);功能：繪制一個圓錐體，圓錐底面中心位于坐標原點(0,0,0

32、)，圓錐頂點位于z軸上。參數(shù)說明：base圓錐底面半徑，height圓錐高。slices環(huán)繞z軸的剖面數(shù)，stacks沿著z軸的剖面數(shù)。(3) 正十二面體函數(shù)原型：glutWireDodecahedro n( void);glutSolidDodecahedr on( void);功能：繪制一個正十二面體，中心位于原點，半徑為73O參數(shù)說明：沒有參數(shù)。(4) 正二十面體函數(shù)原型：glutWirelcosahedro n( void); glutSolidIcosahedr on( void);功能：繪制一個正二十面體，中心位于原點，半徑為 參數(shù)說明：(5)函數(shù)原型：沒有參數(shù)。glutWireO

33、ctahedr on( void);glutSolidOctahedro n( 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)函數(shù)原型：glutWireS phere(GLdouble radius,GLi nt slices,GLi nt stacks);glutSolidS phere(GLdouble radius,GL int slices,GL int 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：Radius球體半徑，slices環(huán)繞z軸的剖面數(shù)，即球體的經(jīng)線數(shù)目，stacks沿著z軸的剖面數(shù), 即球體的緯線數(shù)目。(7)函數(shù)原型：glutWireTetrahedro n( void);glutSolidetrahedro n( void);功能：繪制一個正四面體，中心位于原點，半徑為V3。glutWireTorus(GLdouble inn erRadius,GLdouble outerRadius,GL int slices,GL int stacks); glutSolidTorus(GLdouble inn erRadius,GLdouble outerRadius,GL int slices,GL int stacks); 功能：