第二章图形学编程

1、第二章图形学编程API的早期历史 IFIPS (1973) 组织了两个委员会建立图形API的标准 图形核心系统(Graphical Kernel System, GKS) 二维，同时包含很好的工作站模型 Core: 同时应用于二维和三维 GKS成为ISO标准，稍后成为ANSI标准(1980s) GKS很难推广到三维（GKS-3D) 远远落后于硬件的发展PHIGS与X API的早期历史 IFIPS (1973) 组织了两个委员会建立图形 API的标准 图形核心系统(Graphical Kernel System, GKS) 二维，同时包含很好的工作站模型 Core: 同时应用于二维和三维 GKS

2、成为ISO标准，稍后成为ANSI标准(1980s) GKS很难推广到三维（GKS-3D) 远远落后于硬件的发展SGI和GL Silicon Graphics (SGI) 通过硬件实现流水 线体系，改良了图形工作站 (1982) 应用程序通过一个称为GL的库与系统通 讯 借助于GL，可以非常简单地设计出三维 交互图形应用程序OpenGL GL的成功导致了OpenGL的出现(1992)， 这是一个与平台无关的API： 易于使用 与硬件非常贴近，从而可以充分发挥其功能 着重在于渲染 (rendering) 没有提供窗口和输入接口，从而避免依赖于具 体的窗口系统OpenGL的发展 早期是由Archit

3、ectural Review Board (ARB)掌握其发展的 成员包括SGI, Microsoft, Nvidia, HP, 3DLabs, IBM, 相对稳定(版本序列为1.0 - 1.5, 2.0, 2.1,) 发展反映了新的硬件能力 3D纹理映射和纹理对象 顶点编程 通过扩展可以指定具体平台相应的功能 现在ARB被Kronos取代OpenGL库 OpenGL核心库 Windows: OpenGL32 大多数Unix/Linux系统：GL库(libGL.a) OpenGL实用库(Utility Library, GLU) 利用OpenGL核心库提供一些功能，从而避免重复编写 代码 与窗

4、口系统的连接 X Windows系统：GLX Windows: WGL Macintosh: AGLGLUT OpenGL实用工具库（OpenGL Utility Toolkit Library, GLUT） 提供所有窗口系统的共同功能 打开窗口 从鼠标和键盘获取输入 弹出菜单 事件驱动 代码可以在平台间移植，但是GLUT缺乏在特定 平台上优秀工具包所具有的功能 滚动条软件组织VideoControllerMonitorCPUFrame bufferSystemmemoryPeripheral devicesSystem busDisplay processorOpenGL的函数 基本几何形状

5、 点 线段 多边形 属性 变换 视图 Viewing 建模 控制（GLUT） 输入（GLUT） 查询OpenGL的状态 OpenGL是一个状态机(state machine) OpenGL函数具有两种类型 生成基本形状 如果形状可见，可以得到输出 顶点如何被处理，基本形状的外观由状态控制 改变状态 变换函数 属性函数面向对象方面的缺陷 OpenGL不是面向对象的，因此逻辑上的 一个函数却对应着多个OpenGL函数: glVertex3f glVertex2i glVertex3dv 内在存贮模式是相同的 在C+中很容易创建重载函数，但效率却 成为主要问题OpenGL函数名称的格式 函数的功能

6、glVertex3f(x, y, z) 属于GL库参数个数 x, y, z为float glVertex3fv(p) 注意每部分的大小写 p为指向float的指针OpenGL中的#define 绝大多数常数采用define在头文件 gl.h, glu.h和glut.h中定义 注意#include 会自动包含其它两 个头文件 例如： glBegin(GL_POLYGON); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); 在头文件中也定义了OpenGL数据类型: GLfloat, GLdouble, 如何获取OpenGL? OpenGL核心库与实用库：Windows 98, NT 3

7、.5后系统自带 C/C+语言编程库：VC 6 or higher GLUT: 课程网页 安装：编译其中的工程文件。在VC7中需要手 工复制相应文件glut.h, glut32.lib, glut32.dll到 特定位置。如何编译VC 6 创建一个win32 console application类型的 workspace文件 创建一个C/C+文件，包含前面的代码，并把这 个文件插入到workspace文件中 进入菜单Project Settings, 选择Link标签， 在Object/library modules文本框中加上 opengl32.lib, glu32.lib, glut32.

8、lib, 注意用空格分 开一个简单的示例程序glBegin( GL_LINES); glVertex2f( 0.0, 0.0); glVertex2f( 1.0, 1.0); glEnd();glBegin( GL_LINES); double t = 0.;for (int i=0; i 11; +i) glVertex2f( 0., 0.); glVertex2f( cos(t), sin(t) ); t = t + 0.05 * 3.14159; glEnd();程序结构 绝大多数OpenGL程序具有类似的结构，包含下 述函数 main(): 定义回调函数 打开一个或多个具有指定属性的窗

9、口 进入事件循环（最后一条可执行语句） init(): 设置状态变量设置状态变量 视图 属性 回调 显示函数 输入和窗口函数 #include / glut.h includes gl.h and glu.h void display() . . . void init() . . . int main( int argc, char *argv) . . . void display() glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT); / Clear the frame buffer glColor3f( 0.0, 1.0, 0.0); / Set current color

10、to green glBegin( GL_POLYGON); / Draw the triangle glVertex2f( -0.7, -0.7); glVertex2f( 0.7, -0.7); glVertex2f( 0, 0.7); glEnd(); glFlush(); / Force to display the new drawings immediatelyvoid init() glClearColor( 0.0, 0.0, 0.0, 0.0); / Set the clear color to black / Specify the boundaries of the vi

11、ewing window glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity();gluOrtho2D(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0); / The para are: (left, right, bottom, top) glMatrixMode(GL_MODELVIEW);int main( int argc, char *argv) glutInit( &argc, argv); / Initialize GLUT function callings/ Set window size (width, height) in number of

12、 pixels glutInitWindowSize( 400, 400); / Set window position, from the left and top of the screen, glutInitWindowPosition( 200, 100); / in numbers of pixels / Specify a window creation event glutCreateWindow( Green Triangle); / Specify the drawing function that is called when the window glutDisplayF

13、unc( display); / is created or re-drew init(); / Invoke this function for initializationglutMainLoop(); / Enter the event processing loop return 0; / Indicate normal termination / (Required by ANSI C)Main.c#include main(int argc 这自动包含了gl.hint argc, char* argv)glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode

14、(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);glutInitWindowSize(500,500);glutInitWindowPosition(0,0);glutCreateWindow(“简单示例”);定义窗口属性glutCreateWindow( );glutDisplayFunc(mydisplay);init();显示回调函数glutMainLoop();设置OpenGL状态进入事件循环GLUT函数glutInit使得应用程序可以获取命令行参数并初始化系统 glutInitDisplayMode设置窗口的属性 RGB颜色 单缓冲区 属性按照逻辑或组合在一起 glutWindowSi

15、ze 以像素为单位定义窗口的尺寸 glutWindowPosition 定义窗口左上角在显示器上的位置 glutCreateWindow创建窗口，标题来自于参数值 glutDisplayFunc定义显示回调函数 glutMainLoop进入无穷的事件循环init.c void init() glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);/清除色（背景色）为黑色, 不透明窗口 glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);/GL 矩形填充以白色 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); glOrtho(-1.0, 1.0

16、, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0);/视景体 坐标系 在glVertex中的单位是由应用程序确定 的，称为对象（世界）坐标系 视景体也是相对于世界坐标系指定的，视 景体确定出现在图像中的对象 在OpenGL内部，会把世界坐标转化为照 相机(视点)坐标，稍后转化为屏幕坐标 实际上，OpenGL也用到一些内部表示， 其对应用程序是不可见的OpenGL中的照相机 照相机被放置在对象坐标系的原点，指向z 轴的负方向默认的视景体是一个中心在 原点，边长为2的立方体变换与视图 在OpenGL中投影是利用投影矩阵乘法(变换)进 行的 由于只存在一个变换函数系列，因此必须先设 置矩阵模式 glMa

17、trixMode(GL_PROJECTION); 变换函数是累加在一起的，因此需要从单位阵 开始，然后把它改变为一个投影矩阵以定义视 景体 glLoadIdentity(); glOrtho(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0);二维与三维视图 在glOrtho(左，右，底，顶，近，远)中的近与 远是相对于照相机的距离而言的 二维顶点命令把所有的顶点放在z=0的平面上 如果应用程序处于二维状态，那么可以使用下 述函数设置正交视景体： gluOrtho2D(左，右，底，顶) 对于二维情形，视景体或裁剪体退化为裁剪窗 口mydisplay.c void mydispla

18、y() glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glBegin(GL_POLYGON); glVertex2d(-0.5,-0.5); glVertex2d(-0.5,0.5); glVertex2d(0.5,0.5); glVertex2d(0.5,-0.5); glEnd(); glFlush(); OpenGL的基本几何形状属性 属性是OpenGL中状态的一部分，确定对 象的外观 颜色（点、线、多边形） 点的大小 线段的宽度与实虚模式 多边形的模式 前后面 填充模式：颜色或模式 显示为实心多边形或者只显示边界RGB颜色 颜色的每个分量在帧缓冲区中是分开存贮的 在缓冲区

19、中通常每个分量占用8位字节 注意在函数glColor3f中颜色值的变化范围是 从0.0(无)到1.0(全部), 而在glColor3ub中颜色 值的变化范围是从0到255索引颜色 由一组RGB值构成一张表，“颜色”是表中项 的索引 需要更少的内存 索引通常只有8位 现在重要性下降 内存价格下降 需要更多的颜色颜色与状态 由glColor*设置的颜色成为状态的一部分，后 续构造过程将使用这一颜色，直至它被修改为 止 颜色与其它属性不是对象的一部分，但是在渲染对象时 要把这些属性赋给对象 可以按下述过程创建具有不同颜色的顶点 glColor glVertex glColor glVertex颜色的

20、光滑化过渡 默认状态是光滑过渡 OpenGL根据多边形顶点的颜色插值 出来内部的颜色 另外一种状态是平坦过渡 第一个顶点的颜色确定填充颜色 glShadeModel(GL_SMOOTH) 或 glShadeModel(GL_FLAT)视窗 并不需要把整个当前窗口用来显示图像： glViewport(x,y,w,h) 参数值以像素为单位（屏幕坐标）三维图形 提供一个更复杂的三维图形示例 分形：Sierpinski垫 gasket 介绍隐藏面消除 在OpenGL中二维应用程序是三维应用程 序的特殊情形 要得到三维图形应用程序 只需对前面程序进行很小的修改 使用glVertex3*( ) 必须考虑多

21、边形绘制的顺序或者启用隐藏面消 除功能 只考虑平面的简单凸多边形Sierpinski Gasket (2D) 从一个三角形开始 连接三边的中点并去掉中间的三角形 重复上述过程分形 考虑黑色填充区域的面积与周长（即包含填充 区域的所有线段总长） 当持续细分时 面积趋向于零 但周长趋向于无穷 因此无穷细分后的结果不是通常的几何形状 它的维数既不是一维的，也不是二维的 我们称之为分形程序开头 #include / a point data type typedef GLfloat point22; /initial triangle point2 v = -1.0, -0.58, 1.0, -0.5

22、8, 0.0, 1.15; int n; / number of recursive steps三角形细分void divide_triangle(point2 a, point2 b, point2 c, int m)/ triangle subdivision using vertex numberspoint2 v0, v1, v2;int j;if(m0) for(j=0; j2; j+) v0j=(aj+bj)/2;for(j=0; j2; j+) v1j=(aj+cj)/2;for(j=0; j0) for(j=0; j3; j+) v1j=(aj+bj)/2;for(j=0; j

23、3; j+) v2j=(aj+cj)/2;for(j=0; j0) /* compute six midpoints */for(j=0; j3; j+) mid0j=(aj+bj)/2;for(j=0; j3; j+) mid1j=(aj+cj)/2;for(j=0; j3; j+) mid2j=(aj+dj)/2;for(j=0; j3; j+) mid3j=(bj+cj)/2;for(j=0; j3; j+) mid4j=(cj+dj)/2;for(j=0; j3; j+) mid5j=(bj+dj)/2;/* create 4 tetrahedrons by subdivision */divide_tetra(a, mid0, mid1, mid2, m-1);divide_tetra(mid0, b, mid3, mid5, m-1);divide_tetra(mid1, mid3, c, mid4, m-1);divide_tetra(mid2, mid4, d, mid5, m-1);else(tetra(a,b,c,d); /* draw tetrahedron at end of recursion