图形学第十四课--OpenGL帧缓存和动画

第十七章 OpenGL帧缓存和动画 目 录17.1 帧缓存17.2 OpenGL动画本章将简要地讲述OpenGL帧缓存和动画的内容。通过这一章的学习，读者将初步了解OpenGL帧缓存的组成和基本操作以及掌握OpenGL动画设计的基础编程方法。17.1、帧缓存屏幕上所绘的图形都是由象素组成的，每个象素都有一个固定的颜色或带有相应点的其它信息，如深度等。因此在绘制图形时，内存中必须为每个象素均匀地保存数据，这块为所有象素保存数据的内存区就叫缓冲区，又叫缓存（buffer）。不同的缓存可能包含每个象素的不等数位的数据，但在给定的一个缓存中，每个象素都被赋予相同数位的数据。存贮一位象素信息的缓存叫位面（bitplane）。系统中所有的缓存统称为帧缓存（Framebuffer），可以利用这些不同的缓存进行颜色设置、隐藏面消除、场景反走样和模板等操作。17.1.1 帧缓存组成OpenGL帧缓存由以下四种缓存组成： 颜色缓存（Color Buffer）颜色缓存通常指的是图形要画入的缓存，其中内容可以是颜色索引，也可以是RGB颜色数据（包含Alpha值也可）。若读者所用OpenGL系统支持立体视图，则有左、右两个缓存；若不支持立体视图，则只有左缓存。同样，双缓存OpenGL系统有前台和后台两个缓存，而单缓存系统只有前台缓存。每个OpenGL系统都必须提供一个左前颜色缓存。 深度缓存（Depth Buffer）深度缓存保存每个象素的深度值。深度通常用视点到物体的距离来度量，这样带有较大深度值的象素就会被带有较小深度值的象素替代，即远处的物体被近处的物体遮挡住了。深度缓存也称为z-buffer，因为在实际应用中，x、y常度量屏幕上水平与垂直距离，而z常被用来度量眼睛到屏幕的垂直距离。 模板缓存（Stencil Buffer）模板缓存可以保持屏幕上某些部位的图形不变，而其它部位仍然可以进行图形绘制。比如说，可以通过模板缓存来绘制透过汽车挡风玻璃观看车外景物的画面。首先，将挡风玻璃的形状存贮到模板缓存中去，然后再绘制整个场景。这样，模板缓存挡住了通过挡风玻璃看不见的任何东西，而车内的仪表及其它物品只需绘制一次。因此，随着汽车的移动，只有外面的场景在不断地更改。 累积缓存（Accumulation Buffer）累积缓存同颜色缓存一样也保存颜色数据，但它只保存RGBA颜色数据，而不能保存颜色索引数据（因为在颜色表方式下使用累积缓存其结果不确定）。这个缓存一般用于累积一系列图像，从而形成最后的合成图像。利用这种方法，可以进行场景反走样操作。17.1.2 缓存清除前面几章内容里已经提到缓存清除的应用，这里将详细解释这些函数。在许多图形程序中，清屏或清除任何一个缓存，一般来说操作开销都很大。例如，在一个1280*1024的屏幕上，它要求对成千上万个象素进行操作。通常，对于一个简单的绘图程序，清除操作可能要比绘图所花费的时间多得多。如果不仅仅只清除颜色缓存，而还要清除深度和模板等缓存的话，则将花费三四倍的时间开销。因此，为了解决这个问题，许多机器都用硬件来实现清屏或清除缓存操作。OpenGL清除缓存操作过程是：先给出要写入每个缓存的清除值，然后用单个函数命令执行操作，传入所有要清除的缓存表，若硬件能同时清除，则这些清除操作可以同时进行；否则，各个操作依次进行。下面这个函数为每个缓存设置清除值：void glClearColor(GLclampf red,GLclampf green,GLclampf blue,GLclampf alpha);void glClearIndex(GLfloat index); void glClearDepth(GLclampd depth);void glClearStencil(GLint s);void glClearAccum(GLflaot red,GLfloat green,GLfloat blue,GLfloat alpha);以上函数分别为RGBA方式下的颜色缓存、颜色表方式下的颜色缓存、深度缓存、模板缓存和累积缓存说明当前的清除值。GLclampf和GLclampd（约简的GLfloat和GLdouble）类型的数据被约简到0.0，1.0之间，缺省的深度清除值为0.0。用清除函数命令设置的清除值一直保持有效，直到它们被更改为止。选择了要清除的缓存及其清除值后，就可以调用glClear()来完成清除的操作了。这个清除函数为：void glClaear(Glbitfield mask);清除指定的缓存。参数mask可以是下面这些位逻辑的或，GL_COLOR_BUFFER_BITGL_DEPTH_BUFFER_BITGL_STENCIL_BUFFER_BITGL_ACCUM_BUFFER_BIT这些位逻辑确定所要清除的缓存。注意：GL_COLOR_BUFFER_BIT清除RGBA方式颜色缓存还是清除颜色表方式颜色缓存，要依赖当前系统设置的颜色方式。当清除颜色缓存后，所有启动写操作的颜色缓存都被清除。17.2、OpenGL动画OpenGL提供了双缓存，可以用来制作动画。也就是说，在显示前台缓存内容中的一帧画面时，后台缓存正在绘制下一帧画面，当绘制完毕，则后台缓存内容便在屏幕上显示出来，而前台正好相反，又在绘制下一帧画面内容。这样循环反复，屏幕上显示的总是已经画好的图形，于是看起来所有的画面都是连续的。在OpenGL中，设计这样的动画程序很简单，只需掌握一个重点函数，即：void auxSwapBuffers(void);设置交换缓存。即执行完一次绘制过程，便交换前后台缓存，以便让下一帧图形在屏幕后绘制完成。当然，使用不同的窗口系统设置交换缓存的函数也可能不一样，比如在X窗口系统下，就最好用glxSwapBufferS()。此外，在窗口显示模式中还应设置双缓存模式。下面看一个双缓存动画例子dbufcolr.c，这个程序是在第十三章的nmlcolr.c的基础上改制而成的，读者可以对比起来看看，就会发现OpenGL动画程序设计其实是件极其容易和有趣的事情。例17-1 双缓存动画例程（dbufcolr.c）#include glos.h#include #include #include /* 定义旋转和比例因子的初始值 */GLfloat step=0.0,s=0.1;/* 定义立方体的顶点坐标值 */static GLfloat p1=0.5,-0.5,-0.5, p2=0.5,0.5,-0.5, p3=0.5,0.5,0.5, p4=0.5,-0.5,0.5, p5=-0.5,-0.5,0.5, p6=-0.5,0.5,0.5, p7=-0.5,0.5,-0.5, p8=-0.5,-0.5,-0.5;/* 定义立方体的顶点方向值 */static GLfloat m1=1.0,0.0,0.0, m2=-1.0,0.0,0.0, m3=0.0,1.0,0.0, m4=0.0,-1.0,0.0, m5=0.0,0.0,1.0, m6=0.0,0.0,-1.0;/* 定义立方体的顶点颜色值 */static GLfloat c1=0.0,0.0,1.0, c2=0.0,1.0,1.0, c3=1.0,1.0,1.0, c4=1.0,0.0,1.0, c5=1.0,0.0,0.0, c6=1.0,1.0,0.0, c7=0.0,1.0,0.0, c8=1.0,1.0,1.0;void myinit(void);void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h);void CALLBACK stepDisplay (void);void CALLBACK startIdleFunc (AUX_EVENTREC *event);void CALLBACK stopIdleFunc (AUX_EVENTREC *event);void CALLBACK display(void);void DrawColorBox(void);void myinit(void)GLfloat light_ambient=0.3,0.2,0.5;GLfloat light_diffuse=1.0,1.0,1.0;GLfloat light_position = 2.0, 2.0, 2.0, 1.0 ;GLfloat light1_ambient=0.3,0.3,0.2;GLfloat light1_diffuse=1.0,1.0,1.0;GLfloat light1_position = -2.0, -2.0, -2.0, 1.0 ;glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,GL_TRUE);glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0);glEnable(GL_LIGHT1);glDepthFunc(GL_LESS);glEnable(GL_DEPTH_TEST);glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE);glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);void CALLBACK display(void)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);s+=0.005;if(s1.0)s=0.1;glPushMatrix();glScalef(s,s,s);glRotatef(step,0.0,1.0,0.0);glRotatef(step,0.0,0.0,1.0);glRotatef(step,1.0,0.0,0.0);DrawColorBox();glPopMatrix();glFlush();auxSwapBuffers();/* 交换缓存 */void CALLBACK stepDisplay (void)step = step + 1.0;if (step 360.0)step = step - 360.0;display();void CALLBACK startIdleFunc (AUX_EVENTREC *event)auxIdleFunc(stepDisplay);void CALLBACK stopIdleFunc (AUX_EVENTREC *event)auxIdleFunc(0);void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h)glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();if (w = h)glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 1.50*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0);elseglOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();void DrawColorBox(void)glBegin(GL_QUADS);glColor3fv(c1);glNormal3fv(m1);glVertex3fv(p1);glColor3fv(c2);glVertex3fv(p2);glColor3fv(c3);glVertex3fv(p3);glColor3fv(c4);glVertex3fv(p4);glColor3fv(c5);glNormal3fv(m5);glVertex3fv(p5);glColor3fv(c6);glVertex3fv(p6);glColor3fv(c7);glVertex3fv(p7);glColor3fv(c8);glVertex3fv(p8);glColor3fv(c5);glNormal3fv(m3);glVertex3fv(p5);glColor3fv(c6);glVertex3fv(p6);glColor3fv(c3);glVertex3fv(p3);glColor3fv(c4);glVertex3fv(p4);glColor3fv(c1);glNormal3fv(m4);glVertex3fv(p1);glColor3fv(c2);glVertex3fv(p2);glColor3fv(c7);glVertex3fv(p7);glColor3fv(c8);glVertex3fv(p8);glColor3fv(c2);glNormal3fv(m5);glVertex3fv(p2);glColor3fv(c3