opengl基本概念及基础图形编程-EDA365

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opengl基本概念及基础图形编程

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OpenGL

　　OpenGL基本概念

　　OpenGL（全写Open Graphics Library）是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像（二维的亦可），是一个功能强大，调用方便的底层图形库。

　　OpenGL™ 是行业领域中最为广泛接纳的 2D/3D 图形 API，其自诞生至今已催生了各种计算机平台及设备上的数千优秀应用程序。OpenGL™ 是独立于视窗操作系统或其它操作系统的，亦是网络透明的。在包含CAD、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中，OpenGL™ 帮助程序员实现在 PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。

　　OpenGL使人们进入三维图形世界

　　我们生活在一个充满三维物体的三维世界中，为了使计算机能精确地再现这些物体，我们必须能在三维空间描绘这些物体。我们又生活在一个充满信息的世界中，能否尽快地理解并运用这些信息将直接影响事业的成败，所以我们需要用一种最直接的形式来表示这些信息。

　　最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。机械工程师可以从二维平面图中得以解放直接进入三维世界，从而很快得到自己设计的三维机械零件模型。医生可以从病人的三维扫描图象分析病人的病灶。军事指挥员可以面对用三维图形技术生成的战场地形，指挥具有真实感的三维飞机、军舰、坦克向目标开进并分析战斗方案的效果。

　　更令人惊奇的是目前正在发展的虚拟现实技术，它能使人们进入一个三维的、多媒体的虚拟世界，人们可以游历远古时代的城堡，也可以遨游浩翰的太空。所有这些都依赖于计算机图形学、计算机可视化技术的发展。人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程，而且形成了许多可视化工具，其中SGI公司推出的GL三维图形库表现突出，易于使用而且功能强大。利用GL开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员的喜爱，这些三维应用软件已涉及建筑、产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。随着计算机技术的继续发展，GL已经进一步发展成为OpenGL，OpenGL已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准，目前包括ATT公司UNIX软件实验室、IBM公司、DEC公司、SUN公司、HP公司、Microsoft公司和 SGI公司在内的几家在计算机市场占领导地位的大公司都采用了OpenGL图形标准。

　　值得一提的是，由于Microsoft公司在 Windows NT中提供OpenGL图形标准，OpenGL将在微机中广泛应用，尤其是OpenGL三维图形加速卡和微机图形工作站的推出，人们可以在微机上实现三维图形应用，如CAD设计、仿真模拟、三维游戏等，从而更有机会、更方便地使用OpenGL及其应用软件来建立自己的三维图形世界。

　　OpenGL概念建立

　　《》function StorePage（）{d=document;t=d.selection？（d.selection.type！=‘None’？d.selection.createRange（）.text：‘’）：（d.getSelection？d.getSelection（）：‘’）;void（keyit=window.open（‘http://www.365key.com/storeit.aspx？t=’+escape（d.title）+‘&u=’+escape（d.location.href）+‘&c=’+escape（t），‘keyit’，‘scrollbars=no，width=475，height=575，left=75，top=20，status=no，resizable=yes’））;keyit.focus（）;.

　　OpenGL基本理解

　　OpenGL是一个与硬件图形发生器的软件接口，它包括了100多个图形操作函数，开发者可以利用这些函数来构造景物模型、进行三维图形交互软件的开发。正如上一章所述，OpenGL是一个高性能的图形开发软件包。OpenGL支持网络，在网络系统中用户可以在不同的图形终端上运行程序显示图形。 OpenGL作为一个与硬件独立的图形接口，它不提供与硬件密切相关的设备操作函数，同时，它也不提供描述类似于飞机、汽车、分子形状等复杂形体的图形操作函数。用户必须从点、线、面等最基本的图形单元开始构造自己的三维模型。当然，象OpenInventor那样更高一级的基于OpenGL的三维图形建模开发软件包将提供方便的工具。因此OpenGL的图形操作函数十分基本、灵活。例如OpenGL中的模型绘制过程就多种多样，内容十分丰富，OpenGL提供了以下的对三维物体的绘制方式：

　　网格线绘图方式（wireframe）

　　这种方式仅绘制三维物体的网格轮廓线。

　　深度优先网格线绘图方式（depth_cued）

　　用网格线方式绘图，增加模拟人眼看物体一样，远处的物体比近处的物体要暗些。

　　反走样网格线绘图方式（antialiased）

　　用网格线方式绘图，绘图时采用反走样技术以减少图形线条的参差不齐。

　　平面消隐绘图方式（flat_shade）

　　对模型的隐藏面进行消隐，对模型的平面单元按光照程度进行着色但不进行光滑处理。

　　光滑消隐绘图方式（smooth_shade）

　　对模型进行消隐按光照渲染着色的过程中再进行光滑处理，这种方式更接近于现实。

　　加阴影和纹理的绘图方式（shadows、textures）

　　在模型表面贴上纹理甚至于加上光照阴影，使得三维景观象照片一样。

　　运动模糊的绘图方式（motion-blured）

　　模拟物体运动时人眼观察所感觉的动感现象。

　　大气环境效果（atmosphere-effects）

　　在三维景观中加入如雾等大气环境效果，使人身临其境。

　　深度域效果（depth-of-effects）

　　类似于照相机镜头效果，模型在聚焦点处清晰，反之则模糊。

　　这些三维物体绘图和特殊效果处理方式，说明OpenGL已经能够模拟比较复杂的三维物体或自然景观，这就是我们所面对的OpenGL。

　　OpenGL基础程序结构

　　用OpenGL编写的程序结构类似于用其他语言编写的程序。实际上，OpenGL是一个丰富的三维图形函数库，编写OpenGL程序并非难事，只需在基本C语言中调用这些函数，用法同Turbo C、Microsoft C等类似，但也有许多不同之处。

　　本指南所有的程序都是在Windows NT的Microsoft Visual C++集成环境下编译连接的，其中有部分头文件和函数是为这个环境所用的，例如判别操作系统的头文件“glos.h”。此外，为便于各类读者同时快速入门，在短时间内掌握OpenGL编程的基本方法和技巧，指南中例子尽量采用标准ANSI C调用OpenGL函数来编写，而且所有例程都只采用OpenGL附带的辅助库中的窗口系统。此外，这样也便于程序在各平台间移植，尤其往工作站UNIX 操作系统移植时，也只需改动头文件等很少很少的部分。下面列出一个简单的OpenGL程序：

　　例4-1 OpenGL简单例程（Simple.c）

　　#include 《GL/gl.h》

　　#include 《GL/glaux.h》

　　#include “glos.h”

　　void main（void）

　　{

　　auxInitDisplayMode（AUX_SINGLE|AUX_RGBA）;

　　auxInitPosition（0，0，500，500）;

　　auxInitWindow（“simple”）;

　　glClearColor（0.0，0.0，0.0，0.0）;

　　glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;

　　glColor3f（1.0，0.0，0.0）;

　　glRectf（-0.5，-0.5，0.5，0.5）;

　　glFlush（）;

　　_sleep（1000）;

　　}

　　这个程序运行结果是在屏幕窗口内画一个红色的方块。

　　下面具体分析整个程序结构：首先，在程序最开始处是OpenGL头文件：《GL/gl.h》、《GL/glaux.h》。前一个是gl库的头文件，后一个是辅助库的头文件。此外，在以后的几章中还将说明OpenGL的另外两个头文件，一个是《GL/glu.h》实用库的头文件，另一个是《GL/glx.h》X窗口扩充库的头文件（这个常用在工作站上）。接下来是主函数main（）的定义：一般的程序结构是先定义一个窗口：

　　auxInitDisplayMode（AUX_SINGLE|AUX_RGBA）;

　　auxInitPosition（0，0，500，500）;

　　auxInitWindow（“simple”）;

　　auxInitDisplayMode（AUX_SINGLE|AUX_RGBA）设置窗口显示模式为RGBA方式，即彩色方式，并且图形缓存为单缓存（SINGLE BUFFER）。 auxInitPosition（0， 0， 500， 500）定义窗口的初始位置，前两个参数（0， 0）为窗口的左上角点的屏幕坐标，后两个参数（500，500）为窗口的宽度和高度。auxInitWindow（“simple”）是窗口初始化，字符参数是窗口名称。

　　然后是窗口内清屏：

　　glClearColor（0.0，0.0，0.0，0.0）; glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;

　　第一句将窗口清为黑色，第二句将颜色缓冲区清为glClearColor（0.0， 0.0， 0.0， 0.0）命令所设置的颜色，即同窗口背景颜色一致。

　　再接着是在窗口内画一个物体：

　　glColor3f（1.0，0.0，0.0）;

　　glRectf（-0.5，-0.5，0.5，0.5）;

　　很明显，第一句设置物体颜色，函数中前三个参数分别为R、G、B值，最后一个参数是Alpha值，范围都从0至1；第二句绘制一个二维矩形。注意：OpenGL是针对三维图形而言，因此用作OpenGL编程绘制物体必须意识到任何一个物体都是三维的，具有空间性，而显示于屏幕上的物体都是三维物体在二维平面上的投影。

　　从表面上看，上述程序代码很简单，实际上已经用到了缺省的投影形式（正射投影）。再看glFlush（）函数，表示强制绘图完成。最后一句_sleep（1000），参数单位为毫秒，整句意思是保持现有状况一秒钟，然后结束程序运行。这个函数是VC++的库函数。

　　总而言之，OpenGL程序基本结构为定义窗口、清理窗口、绘制物体、结束运行。

　　OpenGL工作流程

　　整个OpenGL的基本工作流程如下图：

　　其中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流程图的上部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括象素集、影像集、位图集等，图像象素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的，但它们都经过光栅化、逐个片元（Fragment）处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器。在OpenGL中的所有数据包括几何顶点数据和象素数据都可以被存储在显示列表中或者立即可以得到处理。OpenGL中，显示列表技术是一项重要的技术。

　　OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎片；对于象素数据，象素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再象几何顶点操作一样光栅化形成图形片元。

　　整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最后的象素值BZ送入帧缓冲器实现图形的显示。