图形学试验参考指导书

OpenGL介绍一、OpenGL概述OpenGL是图形硬件一个软件接口（GL代表图形库，GraphicsLibrary）。使用OpenGL，能够对计算机图形技术进行控制，产生逼真现实世界图象或虚拟现实世界所没有图象。OpenGL包含了大约250个不一样函数，程序员能够用这些函数指定物体和操作，创建交互性三维应用程序，而无须为很多应用程序中通用标准函数编写代码，同时使应用程序避免接触过多硬件细节。OpenGL关键关注图象渲染，即依据几何图形对象规范及其属性，使用虚拟摄影机和光源来组成一幅图象。OpenGL是跨平台一个应用程序接口（ApplicationProgrammer'sInterface,API），所以不包含输入和视窗操作。对于视窗管理，我们选择OpenGL应用工具包GLUT（OpenGLUtilityToollkit）。OpenGL组成在微机版本中，OpenGL关键由三个函数库组成，它们是关键库、实用函数库和编程辅助库。OpenGL关键库包含了OpenGL最基础命令函数。在这个库中，提供了一百多个函数，这些函数函数名全部以“gl”为前缀。这些函数用来建立多种多样几何模型、进行坐标变换、产生光照效果、进行纹理映射、产生雾化效果等几乎全部二维和三维图形操作。这一百多个基础函数因为使用各自不一样参数而造成格式变形，派生出数百个命令。而且，对于不一样硬件和软件平台，这些函数使用是完全相同，这个特征决定了OpenGL可移植性。OpenGL关键库提供了创建基础几何图元函数，经过基础几何图元多种组合创建其它几何模型，几何模型也可称为物体。为了降低编程负担，OpenGL实用函数库提供了40多个创建常见几何对象函数，立方体、二次曲面等。OpenGL实用库中函数函数名以“glu”为前缀，全部函数全部是利用关键库中函数编写，使用方法和关键库中函数使用方法相同。因为OpenGL是一个图形标准，独立于任何操作系统和窗口系统，OpenGL中没有提供窗口管理和消息事件响应函数，也没有从鼠标和键盘读取事件功效。所以，在不一样操作系统全部设计OpenGL了额外编程辅助库提供部分基础窗口管理函数、事件处理函数，比如定义窗口大小、处理键盘和鼠标事件等。Windows操作系统下编程辅助库中函数函数名以“aux”为前缀。这些编程辅助库是依靠于具体操作系统，为了支持跨平台，SGI企业MarkKilgard编写了GLUT，GLUT中函数函数名以“glut”为前缀。现在，在Windows操作系统GLUT已经替换了AUX库。OpenGL功效1、依据几何图元创建形状，建立物体几何模型。OpenGL中包含两种图元：几何图元和图象图元。几何图元包含：点、直线段、三角形、四边形和多边形，这些图元经过顶点指定。图象图元，比如位图。2、在三维空间中排列物体，并选择观察复合场景有利视角；3、计算全部物体颜色。颜色能够由应用程序明确指定，也能够依据特定光照条件来确定，或经过把纹理表面贴到物体表面得到。4、把物体数学描述和和它们相关颜色信息转换为屏幕上像素。四、基于C语言和OpenGL图形程序开发基础1、基于C语言和OpenGL图形程序结构：依据需要在C语言程序中嵌入OpenGL命令。2、程序中通常包含以下三个部分：（1）应用程序初始化；（2）生成并绘制图象；（3）main函数中调用（1）和（2）中函数。3、OpenGL命令格式和数据类型OpenGL命令就是OpenGL中函数调用，命令名称就是函数名，命令中参数就是函数调用所需参数。OpenGL函数命名约定：函数名饿头多个字母说蜜柑内该函数来自哪个库，后面部分包含一个根命令，通常是一个英文单词(第一个字母必需大写)，表示该函数功效，后缀中数字和字母分别表示参数个数和类型。比如：命令glColor3f(1.0,1.0,1.0);前缀“gl”表示该函数属于关键库，“Color”表示该命令功效为着色，“3f”表示该命令有三个参数，参数类型为浮点数，(1.0,1.0,1.0)是函数调用时具体参数，最终分号“;”是C语言格式中所要求。假如OpenGL命令后缀有一个字母“v”，表示该命令有一个指向矢量或数组指针参数，比如：GLfloatcolor[]={1.0,1.0,1.0};//说明一个浮点型数组color，GLfloat是数据类型glColor3fv(color);//数组color作为参数OpenGL命令中参数个数可能使个、3个或4个，参数类型见下表：OpenGL命令后缀及对应数据类型OpenGL命令中后缀表示数据类型对应OpenGL类型对应C语言类型b8位整数GLbyteSignedchars16位整数GLshortshorti32位整数GLint，GLsizeilongf32位浮点数GLfloat，GLclampffloatd64位浮点数GLdouble，GLclampddoubleub8位无符号整数GLubyte，GLbooleanunsignedcharus16位无符号整数GLshortunsignedshortui32位无符号整数GLuint,GLenum,GLbitfieldunsignedlongOpenGL中定义符号常量OpenGL中符号常量，以大写字母GL_或GL_开头，表示属于哪个库，全部字母全部大写，单词之间用下划线连接。比如，GL_COLOR_BUFFER_BIT，表示颜色缓冲区。5、头文件gl.h、glu.h和glut.hOpenGL关键库函数、类型和宏（符号常量）原型包含在头文件gl.h中，实用函数库原型包含在头文件glu.h中，应用工具包GLUT原形4包含在头文件glut.h中。OpenGL是一个标准程序库，Windows系统运行OpenGL程序，需要在windows\system32文件夹包含动态连接库opengl32.dll和glu32.dll，使用GLUT用户还需要包含动态连接库glut32.dll。编译OpenGL程序需要有头文件gl.h和glu.h，使用GLUT用户需要头文件glut.h，因为glut.h包含了gl.h和glu.h，所以仅用glut.h即可；还需要库文件opengl32.lib、glu32.lib和glut32.lib。五．OpenGl命令命令：glClearColor函数原型：voidglClearColor(GLclampfred,GLclampfgreen,GLclampfblue,GLclampfalph);功效：将缓存目前清楚颜色设置为给定颜色值（red,green,blue,alpha）；参数：（red,green,blue）指定RGB颜色空间一个颜色值，alpha指定透明度。命令：glClear函数原型：voidglClear(GLbitfieldmask);功效：用目前清楚值清楚1种或多个缓冲区。参数：mask指定需要清除缓冲区。缓冲区对应mask值见表1.1。假如需要同时清除多个缓冲区，则将表中多个值经过逻辑或（|）组合在一起表示msk值。比如：同时清除颜色缓冲区和深度缓冲区。mask=GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT。命令：glColor3f函数原型：voidglColor3f(GLfloatred,GLfloatgreen,GLfloatblue);功效：将目前颜色值设置为指定RGBA模式颜色值（red,green,blue,1.0f），其中1.0f为默认混合因子数值。参数：（red,green,blue），指定颜色值R、G、B三个分量每个分量取值范围均为区间[0.0,1.0]。命令：SwapBuffers函数原型：BoolSwapBuffers(HDChdc);功效：交换缓冲区，将绘制完成缓存图像显示在屏幕上。要求采取双缓存机制。参数：hdc指定设备上下文。返回值：假如函数实施成功，返回TRUE，不然，返回FALSE。命令：glOrtho函数原型：voidglOrtho(GLdoubleleft,GLdoubleright,GLdoublebottom,GLdoubletop,GLdoublezNear,GLdoublezFar);功效：产生正平行投影变换矩阵。参数：left、right分别为裁剪矩形体左、右侧两个裁剪平面X轴坐标值。bottom、top分别为裁剪矩形体底、顶端两个裁剪平面Y轴坐标值。（－zNear）、（－zFar）分别为裁剪矩形体近、远端两个裁剪平面Z轴坐标值。命令：glFrustum函数原型：voidglFrustum(GLdoubleleft,GLdoubleright,GLdoublebottom,GLdoubletop,GLdoublezNear,GLdoublezFar);功效：产生透视投影变换矩阵。参数：left、right分别为裁剪四棱台上底面矩形左、右侧两条边X轴坐标值。bottom、top分别为裁剪四棱台上底面矩形底、顶端两条边Y轴坐标值。（－zNear）、（－zFar）分别为裁剪矩形体近、远端两个裁剪平面Z轴坐标值。命令：gluPerspective函数原型：voidgluPerspective(GLdoublefovy,GLdoubleaspect,GLdoublezNear,GLdoublezFar);功效：产生对称透视投影变换矩阵。参数：fovy裁剪四棱台在Y方向上两个侧面夹角度数，0<fovy<180。aspect裁剪四棱台上底面命令：glViewport函数原型：voidglViewport(GLintx0,GLinty0,GLsizeiwidth,GLsizeiheight);功效：产生视口变换，将在三维空间中能够显示在屏幕上点映射到视口中。参数：x0，y0视口左下角点在视图窗口坐标下坐标值；width视口宽度；height视口高度。命令：glVertex3d函数原型：voidglVertex3d(GLdoublex,GLdoubley,GLdoublez);功效：用在一对函数glBegin和glEnd之间，用来指定一个顶点坐标值。参数：x，y，z顶点坐标三个分量。命令：glBegin和glEnd函数原型：voidglBegin(GLenummode);voidglEnd(void);功效：函数glBegin和glEnd共同组成一个函数对。在函数glBegin和glEnd之间语句定义了一个或一组图形元素顶点坐标、颜色和法向量等信息。同时函数glBegin参数mode指定图形元素类型。参数：mode指定图形元素类型。参数mode全部可能取值及其含义以下：GL_POINTS：要求在glBegin和glEnd之间最少包含一个顶点，每个顶点全部是孤立点。GL_LINES：要求在glBegin和glEnd之间最少包含两个顶点，假如有2n个顶点，生成n条直线段。GL_LINE_LOOP：要求在glBegin和glEnd之间最少包含两个顶点，依次相连生成一个封闭环。GL_LINE_STRIP：要求在glBegin和glEnd之间最少包含两个顶点，依次相连生成一条折线段。GL_TRIANGLES：要求在glBegin和glEnd之间最少包含三个顶点，假如有3n个顶点，生成n个三角形。GL_TRIANGLE_STRIP：要求在glBegin和glEnd之间最少包含三个顶点，假如有n个顶点，生成(n－2)个三角形组成带。GL_TRIANGLE_FAN：要求在glBegin和glEnd之间最少包含三个顶点，假如有n个顶点，生成(n－2)个三角形组成扇。GL_QUADS：要求在glBegin和glEnd之间最少包含四个顶点，假如有4n个顶点，生成n个四边形。GL_QUAD_STRIP：要求在glBegin和glEnd之间最少包含四个顶点，假如有n个顶点，生成(n－1)个四边形组成带。GL_POLYGON：要求在glBegin和glEnd之间最少包含三个顶点，对于n个顶点，一次相连组成一个多边形。试验一试验目标：熟悉VC++控制台编程环境，掌握基于C语言OpenGL编程结构。试验内容：GLUT工具包安装；基于VC++控制台C语言编程；VC++控制台编程环境和OpenGL连接；基于VC++控制台OpenGL编程；试验过程：阅读以下程序,掌握基于C语言OpenGL编程结构：1.源程序#include<windows.h>#include<gl/glut.h>voiddisplay(void){glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f);glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glFlush();}voidmain(int&argc,char**argv){glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);glutCreateWindow("hello");glutDisplayFunc(display);displayMainLoop();}程序内容了解(1)两个包含文件#include<windows.h>包含了windows环境下编程所需要信息。#include<gl/glut.h>包含了OpenGL编程所需要信息。main函数glutInit(&argc,argv);初始化GLUT库,使系统识别GLUT库中命令。glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);告诉GLUT库在创建窗口时使用显示模式和颜色模型，其中参数GLUT_SINGLE指定单缓冲显示模式，绘图命令在用于显示窗口实施。参数GLUT_RGB指定RGBA颜色模型。单缓冲显示模式不能做动画，第一个参数另一个选择是GLUT_DOUBLE，指定双缓冲显示模式，能够作动画。第二个参数其它选择现在不常见，RGBA颜色模型经过设置红、绿,、三种颜色成份来确定颜色。glutCreateWindow("hello");创建应用程序窗口，参数指定窗口标题。glutDisplayFunc(display);经过调用用户程序绘制图形。displayMainLoop();只能放在main函数最终，全部已经创建窗口将在此时显示，对创建窗口绘制开始生效，事件处理开始开启。display函数glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f);设置颜色缓冲区颜色为蓝色，即设置背景色，参数(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f)指定颜色中红、绿、蓝成份，每个成份在0~1（伙伴0～255）之间取值；最终一个参数指定是否透明，0表示透明，1表示不透明。glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);用glClearColor命令指定颜色清除颜色缓冲区中原来颜色，参数GL_COLOR_BUFFER_BIT代表颜色缓冲区。glFlush();用于刷新OpenGL中命令队列，使全部未被实施OpenGL命令得到实施。因为OpenGL内部使用渲染（绘图）流水线次序处理命令，OpenGL命令常常会排队并成批处理，方便优化性能。glFlush函数告诉OpenGL应该处理到现在为止收到命令。命令glFinish()；除了含有glFlush()功效外，还等候图形硬件和网络响应，不过性能没有glFlush()高。运行程序安装GLUT工具包（只需一次）：先下载，解压。解压后包含三个文件：glut.h，glut32.lib，glut32.dll。安装过程：*将glut32.dll复制到Windows系统system32文件夹中；*将glut32.lib复制到VClib文件夹中；*将glut.h复制到VCinclude\GL文件夹中。（2）开启VC++，创建基于控制台程序框架*开启VC++（3）设置OpenGL编程环境*在应用程序窗口，选择“Project”→“Settings”→“Link”*在“Object/LibraryModules”一栏中加入：opengl32.Lib、glu32.Lib、glut32.Lib，两个文件名和和原有内容之间用空格间隔。（4）运行程序*输入代码；*编译和连接：在应用程序窗口，选择“Build”→“Compile”或“Build”。*运行：在应用程序窗口，选择“Build”→“Execute”或工具栏按钮“！”实施程序。编译、修改*窗口最下方显示编译和连接信息，假如编译犯错，双击错误信息，系统自动定位到程序中犯错语句，修改后再次编译。程序运行结果：该程序仅创建一个系统默认应用程序窗口。保留在应用程序窗口，选择“saveProject”6修改display函数中glClearColor命令中参数，观察应用程序窗口颜色改变。清除程序（内存）在应用程序窗口，选择“ClearProject”阅读以下程序,掌握应用程序窗口参数设置和渲染对象颜色设置（前景色）1.源程序#include<windows.h>#include<gl/glut.h>voidinit(){glClearColor(0.0,0.0,1.0,1.0);}voiddisplay(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();}voidmain(int&argc,char**argv){glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);glutIniWindowSize(200,200);glutIniWindowPosition(100,100);glutCreateWindow("cube");init();glutDisplayFunc(display);displayMainLoop();}2.程序内容了解（1）main函数glutIniWindowSize(200,200);设置应用程序窗口大小，参数表示宽和高。glutIniWindowPosition(100,100);设置应用程序窗口位置，参数表示窗口左上角坐标。init函数init函数设置应用程序初始化，其中包含应用程序开启时实施代码，而且往往只实施一遍。因为颜色缓冲区颜色设置不常常改变，所以将其放入init函数中。从main函数中调用次序能够看出，和程序一中代码写法没有本质区分。display函数giColor4f(0.0,1.0,1.0,1.0);设置渲染对象颜色，其中参数(0.0,1.0,1.0,1.0)含义和解释和glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f);相同。glRotatef(60,1.0,1.0,1.0);将绘制图象旋转60度。参数(60,1.0,1.0,1.0)表示（旋转角度，x轴，y轴，z轴）。其中，对应x轴、y轴、z轴数值，假如为1表示饶该轴旋转，为0表示不饶该轴旋转。glutWireCube(0.8);绘制一个边长为0.8线框（Wire）立方体（Cube）。运行、保留和清除程序同程序一。观察并分析程序运行结果。修改程序修改立方体颜色；修改立方体旋转角度；修改应用程序窗口大小和在屏幕显示位置。glutWireCube(GLdoublesize);绘制GLUT中三维物体GLUT中三维物体：命令中“Solid”表示实心物体，“Wire”图形。下面仅给出函数原型，命令使用利用C语言知识调用。（1）立方体函数原型：glutWireCube(GLdoublesize);glutSolidCube(GLdoublesize);功效：绘制一个边长为siaze立方体，立方体中心在原点。参数说明：size为立方体边长。（2）圆锥体数原型：glutWireCone(GLdoublebase,GLdoubleheight,GLintslices,GLintstacks);glutSolidCone(GLdoublebase,GLdoubleheight,GLintslices,GLintstacks);功效：绘制一个圆锥体，圆锥底面中心在坐标原点(0,0,0)，圆锥顶点在z轴上。参数说明：base圆锥底面半径，height圆锥高。slices围绕z轴剖面数，stacks沿着z轴剖面数。（3）正十二面体函数原型：glutWireDodecahedron(void);glutSolidDodecahedron(void);功效：绘制一个正十二面体，中心在原点，半径为。参数说明：没有参数。（4）正二十面体函数原型：glutWireIcosahedron(void);glutSolidIcosahedron(void);功效：绘制一个正二十面体，中心在原点，半径为1。参数说明：没有参数。（5）函数原型：glutWireOctahedron(void);glutSolidOctahedron(void);功效：绘制一个正八面体，中心在原点，半径为1。参数说明：没有参数。（6）函数原型：glutWireSphere(GLdoubleradius,GLintslices,GLintstacks);glutSolidSphere(GLdoubleradius,GLintslices,GLintstacks);功效：绘制一个球体，球体中心在原点，半径为radius。参数说明：Radius球体半径，slices围绕z轴剖面数，即球体经线数目，stacks沿着z轴剖面数，即球体纬线数目。（7）函数原型：glutWireTetrahedron(void);glutSolidetrahedron(void);功效：绘制一个正四面体，中心在原点，半径为。参数说明：没有参数。（8）函数原型：glutWireTorus(GLdoubleinnerRadius,GLdoubleouterRadius,GLintslices,GLintstacks);glutSolidTorus(GLdoubleinnerRadius,GLdoubleouterRadius,GLintslices,GLintstacks);功效：绘制一个