实验3 基于OpenGL的真实感图形渲染.doc

基于OpenGL的真实感图形渲染OpenGL是一个跨平台的图形库，可在Windows、Unix、Mac等平台上运行。本书主要介绍怎样在Windows平台上建立OpenGL程序，并以Visual C+ 6.0编程环境为例来说明整个编程环境的建立和设置。2.5.1VC环境下OpenGL编程本节在VC6.0环境下介绍两种OpenGL应用程序结构：Win32 Console Application和Windows MFC。1Win32 Console Application在该OpenGL应用程序结构中，我们使用GLUT来响应、处理用户的交互操作；尽管GLUT可能无法满足编写功能完整的OpenGL应用程序的要求，但作为学习OpenGL却是一个非常好的起点。首先运行Visual C+ 6.0从“File”菜单中选择“New”菜单项，在弹出的对话框中选择”Projects”标签，如图2-28所示。然后单击“Win32 Console Application”选项，再给应用程序指定目录和名字，如工程名为“ConsoleExpl”。单击“OK”按钮，确认由Visual C+ 6.0创建一个新工程。接着，显示如图图2-29所示的对话框，用以选择应用程序的类型。选择产生一个空的应用程序，单击“Finish”按钮，这样一个新的工程框架建立完成。随后，从“File”菜单中选择“New”菜单项，在弹出的对话框中选择“New”标签，创建一个“C+ Source File”如名字为“main”，并添加到该工程中，如图2-30 所示。 图2-28 选择新工程类型 图2-29 选择应用程序类型通过如下的方法加入OpenGL的库文件：从“Project”菜单中选择“Settings”菜单项，在弹出的对话框中单击“Link”标签，在“Object/library modules”文本框中加入“opengl32.lib glu32.lib glut32.lib glew32.lib”即可，如图2-31所示。 图2-30 创建源文件加入工程 图2-31 OpenGL库文件加入当前工程完成上述步骤后，一个Windows平台下进行OpenGL应用程序开发的环境已形成，便可进入具体的编程阶段。这里，给出一个简单的的OpenGL示例程序(ConsoleExpl)，代码如下，运行结果如图2-32所示。/ main.cpp#include #include static GLfloat spin = 0.0;void display(void) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glPushMatrix();/保存模型视图矩阵 glRotatef(spin, 0.0, 0.0, 1.0); /模型旋转变换 glBegin(GL_POLYGON); glColor3f(1.0, 0.0,0.0); /设置当前颜色为红色 glVertex2f(0.0, -25.0); glColor3f(0.0, 1.0, 0.0); /设置当前颜色为绿色 glVertex2f(25.0, -12.5); glColor3f(0.0, 0.0, 1.0); glVertex2f(25.0, 12.5); glColor3f(1.0, 1.0, 0.0); glVertex2f(0, 25.0); glColor3f(1.0, 0.0, 1.0); glVertex2f(-25.0, 12.5); glColor3f(0.0, 1.0, 1.0); glVertex2f(-25.0, -12.5); glEnd(); glPopMatrix(); /恢复模型视图矩阵 glutSwapBuffers(); /交换缓冲区void spinDisplay(void) spin = spin + 2.0; if (spin 360.0) spin = spin - 360.0; glutPostRedisplay(); void init(void) /初始化绘制环境 glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_SMOOTH);void reshape(int w, int h) glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); /设置视口 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); glOrtho(-50.0, 50.0, -50.0, 50.0, -1.0, 1.0); /设置正投影 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity();void mouse(int button, int state, int x, int y) switch (button) case GLUT_LEFT_BUTTON: if (state = = GLUT_DOWN) glutIdleFunc(spinDisplay); /左键单击进行模型旋转 break; case GLUT_MIDDLE_BUTTON: case GLUT_RIGHT_BUTTON: if (state = = GLUT_DOWN) glutIdleFunc(NULL); break; default: break; int main(int argc, char* argv) glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize (250, 250); glutInitWindowPosition (100, 100); glutCreateWindow (argv0); init (); glutDisplayFunc(display); glutReshapeFunc(reshape); glutMouseFunc(mouse); glutMainLoop(); return 0; 图2-32 ConsoleExpl程序的运行结果对该程序进行如下的简要解释：（1）窗口管理GLUT通过如下几个函数执行初始化窗口所需要的任务：glutInit(int *argc, char *argv)对GLUT进行初始化，并处理所有的命令行参数。glutInit()应该在调用其他任何GLUT函数之前调用。glutInitDisplayMode(unsigned int mode) 指定了是使用RGBA模式还是颜色索引模式（这里使用RGBA）；指定是使用单缓冲还是使用双缓冲窗口（这里使用后者）；还可以使用这个函数表示希望窗口拥有相关联的深度、模板、多重采样和/或累积缓冲区。例如，如果需要一个双缓冲、RGBA颜色模式以及带有一个深度缓冲区的窗口，可以调用glutInitDisplayMode(GLUT_ DOUBLE |GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH)。glutInitWindowPosition(int x, int y) 指定了窗口左上角的屏幕位置(100，100)。glutInitWindowSize(int width, int size) 指定了窗口的大小(250, 250)（以像素为单位）。int glutCreateWindow(char *string)创建了一个支持OpenGL渲染环境的窗口。这个函数返回一个唯一的标识符，标识了这个窗口。注意：在调用glutMainLoop()函数之前，这个窗口并没有显示。（2）显示回调函数glutDisplayFunc(void (*func)(void)是极其重要的事件回调函数，每当GLUT确定一个窗口的内容需要重新显示时，通过glutDisplayFunc()注册的那个回调函数(该例为display)就会被执行。因此，应该把重绘场景所需要的所有代码都放在这个显示回调函数里。如果程序修改了窗口的内容，有时候可能需要调用glutPostRedisplay()，这个函数将会指示glutMainLoop()调用已注册的显示回调函数。（3）运行程序最后，必须调用glutMainLoop()来启动程序。所有已经创建的窗口将会在这时显示，对这些窗口的渲染也开始生效。事件处理循环开始启动，已注册的显示回调函数被触发。一旦进入循环，它就永远不会退出。（4）处理输入事件可以使用下面这些函数注册一些回调函数，当指定的事件发生时，这些函数便会被调用：glutReshapeFunc(void(*func)int w, int h)表示当窗口的大小发生改变时应该采取什么行动(该例为reshape)。glutKeyboardFunc(void(*func)(unsigned char key, int x, int y)和glutMouseFunc(void(*func)(int button, int state, int x, int y)将键盘上的一个键或鼠标上的一个按钮与一个函数相关联，当这个键或按钮被按下或释放时，这个函数就会调用(该例为mouse)。（5）空闲处理可以在glutIdleFunc(void(*func)(void)回调函数中指定一个函数，如果不存在其他尚未完成的事件（例如，当事件循环处于空闲的时候），就执行这个函数。这个回调函数接受一个函数指针作为它的唯一参数。如果向它传递NULL（0），就相当于禁用这个函数。该例中，init()函数初始化绘制环境，其中glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0)设置背景色为黑色、glShadeModel (GL_SMOOTH)设置着色模型为平滑方式。在reshape()函数中，首先设置了视口的大小，然后设置投影方式为正投影，并切换当前矩阵为模型视图矩阵。在display()中，首先将窗口清除为当前的清除颜色，然后进行模型的旋转变换，并绘制一个多边形，最后交换缓冲区。函数spinDisplay()的作用是增大旋转角度并刷新窗口；函数mouse()通过鼠标按钮确定多边形是否进行旋转的切换。2Windows MFC为了编写功能更加完备的OpenGL应用程序，尤其是在友好的用户交互方面，可以采用Windows MFC应用程序框架；在该框架中，利用MFC消息映射机制进行各种响应的处理。由于OpenGL是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理。OpenGL的绘图方式与Windows一般绘图方式是不同的，Windows一般的应用程序使用设备描述表（Device Context, DC）进行图形的绘制输出，但OpenGL并不使用标准的设备描述表，而是使用渲染描述表（Rendering Context, RC）完成图形图像的映射，其核心是像素格式的设置。（1）像素格式在进行OpenGL的绘图操作时，实际上是在进行设备像素的操作。OpenGL将数据转化为像素操作写入帧缓存中，OpenGL需要知道Windows的像素格式，或者说需要与其一致起来。在初始化OpenGL时，初始化函数需要一种叫做PIXELFORMATDESCRIPTOR的结构，来完成对像素属性的设置，包括缓存设置、颜色模式、颜色位数、深度缓存位数等。OpenGL通过PIXELFORMATDESCRIPTOR结构指定自己的像素格式，结构如下：typedef struct tag PIXELFORMATDESCRIPTOR WORD nSize; /结构大小 WORD nVersion; /结构版本 DWORD dwFlags; /告知OpenGL如何处理像素 BYTE iPixelType; /颜色模式 BYTE cColorBits; /颜色位数 BYTE cRedBits; /通常为0 BYTE cRedShift; /通常为0 BYTE cGreenBits; /通常为0 BYTE cGreenShift; /通常为0 BYTE cBlueBits; /通常为0 BYTE cBlueShift; /通常为0 BYTE cAlphaBits; /RGBA颜色缓存中Alpha的位数 BYTE cAlphaShift; /现不支持置为0 BYTE cAccumBits; /累积缓存的位数 BYTE cAccumRedBits; /基本不被采用置为0 BYTE cAccumGreenBits; /基本不被采用置为0 BYTE cAccumBlueBits; /基本不被采用置为0 BYTE cAccumAlphaBits; /基本不被采用置为0 BYTE cDepthBits; /深度缓存位数 BYTE cStencilBits; /模板缓存位数 BYTE cAuxBuffers; /辅助缓存位数 BYTE iLayerType; /层面类型 BYTE bReserved; /置0 DWORD dwLayerMask; /置0 DWORD dwVisibleMask; /置0 DWORD dwDamageMask; /置0 PIXELFORMATDESCRIPTOR; （2）渲染描述表如Widows程序的DC一样，OpenGL渲染描述表保存着在窗口中用来渲染一个场景所需的信息。一个OpenGL应用程序必须有一个RC，并且在进行OpenGL绘制之前它应该是当前的。实际上，RC是OpenGL输出与Windows DC联系的机制，在RC存入信息后，OpenGL就可以在Windows系统中更新一个窗口的图形状态。 在创建渲染描述表之前必须创造像素格式，这样，RC才知道怎样选择像素属性。RC是线性安全的，也就是说多个线程可以同时使用一个渲染描述表。在某一时刻一个线程只使用一个RC，且每个OpenGL线程必须有一个当前的RC支持工作。一般情况下，RC的管理需要以下OpenGL函数：wglCreateContext(HDC hDC)：创建一个与给定的DC兼容的RC，调用成功返回RC句柄，不成功返回NULL。wglMakeCurrent(HDC hDC，HGLRC hRC)：RC当前化，调用成功返回GL_TRUE，否则返回GL_FALSE。如果第二个参数为NULL，则是使当前RC非当前化。wglDeleteContext(HGLRC hRC)：删除RC，成功返回GL_TRUE，否则返回GL_FALSE。wglGetCurrentContext()：获取当前RC句柄。 wglGetCurrentDC()：获取绑定当前RC的DC句柄。下面我们结合一个具体的OpenGL应用程序（工程名为MFCOpenGLExpl，其运行结果和ConsoleExpl一样），分步骤来介绍MFC框架下的OpenGL编程；MFCOpenGLExpl是一通用的基础框架程序，MFC框架下的OpenGL应用程序开发均可参考。描述中将涉及到Visual C+程序设计的基础知识，如数据成员变量的增加、成员函数的创建、消息响应等。第一步：建立工程。首先运行Visual C+ 6.0从“File”菜单中选择“New”菜单项，在弹出的对话框中选择”Projects”标签，如图2-33所示。然后单击“MFC AppWizard(exe)”选项，再给应用程序指定目录和名字MFCOpenGLExpl，并单击“OK”按钮。然后，在弹出的对话框中选择“Single doucument”，并单击“Finish”按钮完成一新工程的创建。图2-33 选择新工程类型第二步：设置OpenGL库。首先包含OpenGL头文件，打开工程中StdAfx.h文件，在其中包含glew.h和glut.h两个文件，如图2-34所示。然后连接OpenGL库文件，从“Project”菜单中选择“Settings”菜单项，在弹出的对话框中单击“Link”标签，在“Object/library modules”文本框中加入“opengl32.lib glu32.lib glut32.lib glew32.lib”即可，如图2-35所示。图2-34 包含OpenGL头文件图2-35 连接OpenGL库文件第三步：添加变量和函数。首先在CMFCOpenGLExplView.h文件中，添加公共数据成员变量m_hRC、 m_pDC、m_rotAngle和成员函数InitializeOpenGL()、SetupPixelFormat()和RenderScene()，如图2-36所示；并在CMFCOpenGLExplView.cpp文件的构造函数中初始化这3个变量，代码如下。图2-36 添加变量和函数CMFCOpenGLExplView:CMFCOpenGLExplView()m_hRC = NULL;m_pDC= NULL; m_rotAngle = 0.0f;利用“MFC ClassWizard”，使CMFCOpenGLExplView类响应WM_CREATE、WM_SIZE、WM_ERASEBKGND、WM_DESTROY、WM_LBUTTONDOWN、WM_RBUTTONDOWN、和WM_TIMER这7个消息，得到相应的7个消息响应函数，如图2-37所示。第四步：设置像素格式。在CMFCOpenGLExplView.cpp文件中定义SetupPixelFormat()成员函数，代码如下。BOOL CMFCOpenGLExplView:SetupPixelFormat() /设置像素格式static PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd = / 填充该结构体 sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR), 1, PFD_DRAW_TO_WINDOW | PFD_SUPPORT_OPENGL | PFD_DOUBLEBUFFER, PFD_TYPE_RGBA, 24, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 32, 0, 0, PFD_MAIN_PLANE, 0, 0, 0, 0 ; / 选择匹配像素格式，并返回索引int m_nPixelFormat = :ChoosePixelFormat(m_pDC-GetSafeHdc(), &pfd);if ( m_nPixelFormat = 0 )return FALSE; if ( :SetPixelFormat(m_pDC-GetSafeHdc(), m_nPixelFormat, &pfd) = FALSE) return FALSE; return TRUE;第五步：使用RC。首先在成员函数InitializeOpenGL()中创建RC，该函数在CMFCOpenGLExplView.cpp文件中定义如下。BOOL CMFCOpenGLExplView:InitializeOpenGL() m_pDC = new CClientDC(this); if(m_pDC = NULL) MessageBox(Error Obtaining DC); return FALSE; if(!SetupPixelFormat() return FALSE; m_hRC = wglCreateContext (m_pDC-GetSafeHdc ();/创建 if(m_hRC = 0) MessageBox(Error Creating RC); return FALSE; if(wglMakeCurrent (m_pDC-GetSafeHdc (), m_hRC)=FALSE) /当前化RC MessageBox(Error making RC Current); return FALSE; glShadeModel(GL_SMOOTH); /设置着色模型方式 glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,0.0f); /设置背景色glClearDepth(1.0f); /设置深度缓存的清除值glMatrixMode( GL_PROJECTION ); glLoadIdentity();glOrtho(-50.0, 50.0, -50.0, 50.0, -1.0, 1.0);/设置正投影 return TRUE;在OnCreate()函数中调用InitializeOpenGL()函数，使得上述的工作有效，代码如下。int CMFCOpenGLExplView:OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct) if (CView:OnCreate(lpCreateStruct) = -1)return -1;InitializeOpenGL(); return 0;应用程序窗口销毁时，应删除RC，由OnDestroy()完成，代码如下。void CMFCOpenGLExplView:OnDestroy() CView:OnDestroy();/ 释放RC if(:wglMakeCurrent (0,0) = FALSE)MessageBox(Could not make RC non-current); if(:wglDeleteContext (m_hRC)=FALSE) MessageBox(Could not delete RC); if(m_pDC) delete m_pDC; m_pDC = NULL;第六步：绘制场景。首先在成员函数OnSize()中设置视口并切换到模型视图矩阵，该函数在CMFCOpenGLExplView.cpp文件中定义如下。void CMFCOpenGLExplView:OnSize(UINT nType, int cx, int cy) CView:OnSize(nType, cx, cy);if (cy=