高级计算机图形学

高级计算机图形学

讲授：董兰芳

研究方向：科学计算可视化

图形、图像处理

模式识别

Telephone/p>

Email：Ifdong@ustc.

Homepage：

http：//staff.ustc.edu,dong

中国科学技术大学

视觉计算与可视化实验室

第二章图形学编程

❖2.1OpenGL简介

❖2.2Siepinski镂垫

❖2.3编写二维图形应用程序

❖2.4OpenGLAPI

❖2.5图元和属性

❖2.6颜色

❖2.7观察

❖2.8控制函数

❖2.9Siepinski镂垫绘制程序

❖2.10多边形和递归

❖2.11三维Siepinski镂垫

❖2.12绘制隐函数曲线

❖2.13基于三角网格的等值线绘制

2.1OpenGL简介

•三种类型的计算机图形软件系统：

＞用某种语言写成的子程序包

/GKS

/PHIGS

/GL

/OpenGL

/DirectX

便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低！

＞扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能

如：TurboPascal＞TurboC,AutoLisp等。

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植！

A专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植

2.1OpenGL简介

＞专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。

工具栏

快捷菜单栏

主菜单栏

|业1)・，歹a7.0.1:.\imtitled厂〕值I区〕|

FileIEdilModifyCr・ot・Di«pl*yVtndowAn>»*taDefor*Sk«l«tonSkinC»n*tr*inCh*r*cl«rX«lp

Hibon二||因一*卜|m*6I*+《N♦闿X•?砧涌它0.，。|日“笈|西面渭|$5、春滤妾

General|Curve；Si<fac«3|Polygon：Subdrv*|Delormabon|Arwnation|DynamicsIRendering|P«nt£Meets!Toon|Cloth:FluidsIF=|Ha»|Custom:VueGxStreamPlugvi|曰

V»*wSh*4(ncShowPan«laVieSXadin«L><htingShowP*n*l*事事能

Chgnel*Obj・vl

常

用

工

具

(■•Dupka1Rendet

L«y«rsOption«Hvlp

工作区

2.1OpenGL简介

•OpenGL(OpenGraphicsLibrary)是个定义了一个跨编

程语言、跨平台的编程接口的规格，是个专业的3D程序

接口，是一个功能强大，调用方便的底层3D图形库。

•OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台

如Windows95、WindowsNT、Unix>Linux、MacOS

、OS/2之间进行移植。

•这个接口由近二百五十个不同的函数调用组成，用来从简

单的图元绘制复杂的三维景象。在电子游戏工业里，它是

颇普遍的，而另一种编程接口系统是仅用于Micros。什

Windows上的Directsb。

•OpenGL常用于CAD、虚拟实境、科学视觉化程序和电子

游戏开发。

2.1OpenGL简介

•OpenGL的前身是SG工公司为其图形工作站开发的工R工SGL。

1992年7月，SG工公司发布了OpenGL的1.0版本。

•OpenGL历经2.0,1.5,1.4,1.3,1.2,1.1,or1.0多个

版本。现在最新的是在2006年8月3日公布的OpenGLversion

2.1o

•OpenGL规范由1992年成立的OpenGL架构评审委员会（ARB

）维护。ARB由一些特别兴趣于建立一个统一的普遍可用的

AP工的、公司组成。根据OpenGL官方网站，2002年6月的ARB

投票成员包括3Dlabs、AppleComputer、ATITechnologies

、bellComputer、Evans&Sutherland、Hewlett-Packard

、IBM>IntekMatrox、NVIDIA>SG工和Sun

Microsystems（Microsoft曾是创立成员之一，但已于2003

年3月退出）。赘忌

2.1OpenGL简介

•GL(1981-2006)：SiliconGraphics(SGI)

GeometryEngine(几何引擎)，硬件(VLSI)

实现几何流水线，极大改良了图形工作站。

＞立即模式绘制

＞可非常简单地设计出三维交互图形

应用程序。

2.1OpenGL简介

•OpenGL(1992)：SG工领导的OpenGLArchitectural

ReviewBoard(OpenGLARB)发布1.0版平台无关的API：

»易于使用

»与硬件非常贴近，从而可以充分发挥其性能

＞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

2.1OpenGL简介

•核心库(GL)：基本库。

•实用函数库(GLU):处理专门操作的附加库。

(复杂对象描述、曲线和曲面的绘制……)

•实用函数工具包(GLUT)：实用函数工具包。

(提供与任意屏幕窗口系统进行交互的函数库)

2.1OpenGL简介

•基于QpenGL标准开发的应用程序必须运行于32位Windows

平台可如WindowsNT或Windows§6环境；而且运行时逐需有动态

链接库OpenGL32.DLL、Glu32.DLL,一般在...\W：［NDOW5\system32

里面（注：window2000以上系统均带有OPENGL32.DLL和glu32.dll）

•一般来说，VC6和VS.NET里面就带有GL的基本库

>VC6：..AMicrosoftVisualStudio\VC98\Include\GL

>VS.NET.2005：..AMicrosoftVisualStudio

8\VC\PlatformSDK\Inclucle\gl

>一般是Gl股,Slaux.h,Glu.h

>Lib里也有：Open@L32.lib,GLu32』ib,GLaux.lib

•所以开发者在VC下可以使用

>#include<gl\gl.h>//HeaderFileForTheOpenGL32Library

>#include<gl\glu.h>//HeaderFileForTheGLu32Library

>#include<gl\glaux.h>//HeaderFileForTheGlauxLibrary

2.1OpenGL简介

LibS0BI

文件。僦⑥查看9收藏他）工具9帮助也）；：

D后退，十搜索文件夹叵]▼

地址@)ODAProgramFilesXBicrosoftVisualStudio\VC98\Lib*,|心转到

名称4大小类型停改日期人

文件和文件夹任务V[-给EDKGUID.UB4KBObjectFileLib.1998-5-130:00

EDKMAPI.LIB63KBObjectFileLib.1998-5-130:00

其它位置可绘EDKMSG.LIB2KBObjectFileLib.1998-5-130:00

组EDKSETUP.UB93KBObjectFileLib.1998-5-130:00

口VC98^EDKTRACK.UB5KBObjectFiltLib.1998-5-130:00

Q我的文档"EDKUTHS.UB60KBObjectFileLib.1998-5-130:00

口共享文档“EXADMINLIB48KBObjectFiltLib.1998-5-130:00

《我的电脑EXCKIHST.UB93KBObjectFileLib.1998-5-130:00

EXCHSDK.UB1,423KBObjtctFil«Lib.1998-5-130:00

母网上郃居

综FASTFILE.UB6KBObjectFileLib.1998-5-130:00

^FDI.LIB83KBObjectFileLib.1998-5-130:00

详细信息多■/^FILTER.LIB10KBObjectFileLib.1998-5-130:00

境FBISTR32.UB4KBObjectFileLib.1998-5-130:00

21FP10.0BJ1KBObjectFile1998-6-170:00

GLU32.LIB

ObjectFileLibrary"FRIENDLY.UB7KBObjectFileLib.1998-5-130:00

修改日期1998年5月13日，“GM32.UB80KBObjectFil*Lib.1998-5-130:00

0:00^OAUX.LIB1,282KBObjectFileLib.1998-5-130:00

大小：123KB券Clow321ib452KBObj«ctFil*Lib.2010-7-1312:22

“glew32s.lib1,140KBObjectFileLib.2010-7-1312:22

绘ES困回I13KBObjectFiltLib.1998-5-130:00

^Jglut32.1ib80KBObjectFileLib.2004-10-2311:25

线GTRTST32.UB23KBObjectFil*Lib.1998-6-220:00

空GUIDS.IJB98KBObjectFileLib.1998-5-130:00

为GIMAINUB27KBObjectFileLib.1998-5-130:00

^GfPERF.UB4KBObjectPileLib.1998-5-130:00

%GTREPOKr.UB11KBObjectFileLib.1998-5-130:00

幼HEXEDITUB4KBObj«ctFiltLib.1998-5-130:00

为HUNK.UB18KBObjectFileLib..1998-5-130:00

^ICMUI.LIB4KBObjectFiltLib.1998-5-130:00

给IKVUHK.UB323KBObjectFileLib.1998-5-130:00

^liAGEHLP.UB28KBObjectFiltLib.1998-5-130:00

“I1W32.1IB20KBObjectFileLib.1998-5-130:00

^JAVADBG.LIB12KBObjectFileLib.1998-5-130:00

-JKERNEL32.UB172KBObjectFileLib.1998-5-130:00

“KSGUID.UB142KBObjectFileLib.1998-5-130:00

综LARGEIMT.LIB4KBObjectFil*Lib.1998-5-130:00

^LEBC.LEB864KBObjectFileLib.2004-2-170:00

,^LIBCD.LIB2,544KBObjtctFiltLib.2004-2-170:00

用IJBCD.PDB84KBPrograaDebugD.2004-2-170:00

^LIBCIUB162KBObjtctFil*Lib.1998-8-170:00

^UBCID.IJB389KBObjectFileLib.1998-6-170:00

也LIBCIDPDB76KBProgrsDebugD.1998-6-170:00

^LIBCIMT.UB178KBObjectFileLib...2004-2-170:0040K/s,OK/S0v

夕出“342.ppi0p*nO._Brief_Int...*PFT[■Libt=z/'<7^C>10:38

2.1OpenGL简介

・函数：

AOpenGL核心库(gl)

AOpenGL实用库(glu)

A对X窗口系统的OpenGL扩展(glX)

•举例：

>voidglBegin(GLenummode);

>voidgluBeginCurve(GLUnurbs*nurb);

>voidglXFreeContextEXT(bisplay*dpy,

GLXContextctx);

•参数：

GL_PO工NTS,GL_LCNES,GL_LINE_5TR工P,GL_LCNE

_LdOP,GL-TRIANGLES,GL_TRIANGLE_STMP.fl

〒曰!：AN,GL_QUAbStGLj^UAb_STRIP匚/

2.1OpenGL简介

表3-1

字符c语言类型OpenGL类型定义

bsignedcharGLbyte

sshortGLshorl

iintGLint

ffloatGLlloat,GLclampf

ddoubleGLdouble,GLclampd

ubunsignedcharGLubyte,GLboolean

usunsighedshortGLshorl

uiunsignedintGLuint.GLenuni,GLbitfield

voidGLvoid

•voidglVertex3s(&Lshortx,GLshorty,SLshortz);

•voidglVertex3i(&Lintx,SLinty,GLintz);

•voidglVertex3f(&Lfloatx,SLfloaty,GLfloatz);

•voidglVertex3d(GLdoublex,GLdoubley,GLdoublez);

2.1OpenGL简介

【第英”•，大陋偏

洲开始||]⑥011LJDebug|[旧MkrosoFtPowerPC..四AcrobatReader-L.J而未命名-画图|18MicrosoftVisualC++14:50

2.1OpenGL简介

Jl

onf\Build/Debug\FindinFiles1~\FindinFiles2~\Results]«||

次英④•，大翘城二|

妻开始爹

113!eJ，91MicrosoftPowerPo...|小AcrobatReaderT，..|$]未命名-画图11-MKrosoftVlsu...

2.1OpenGL简介

.

-I11.exe-0error(s),0vjarning(s)

J

EEKBuildXDebugX_FindinFilesI~\~FindinFiles2"\Results]<||

J秀英，:大理常威厂>r

LnLCol1|REC|COL|OVR|READ

洲开始I痣闻J|S]Microsofl:PoM..|RjAcrobatReade…|W1未命名-画图811-Microsoft…|BB"E:\ll\Debugl..IlgBAnExample。...康89窗14:54

2.1OpenGL简介

•在没使用GLUT的情况下（手动添加link）：

>在你文件头加上

/#include<gl\gl.h>

/#include<gl\glu.h>

/#include<gl\glaux.h>

>进入Project菜单，选Settings项，弹出Settings

对话框，选Link项，在Libraries栏目中加入

OpenGL库：opengl32.libglu32.libglaux.lib

2.1OpenGL简介

•GLUT（OpenGLUtilityToolkit）

•安装：在windows下通过C/C++语言编写GLUT程序，你需要以下三个文件

>&LUT.H-你需要在你的源代码中包含这个文件。通常情况下，这个文

件应该放在你系统的包含目录下的&L文件夹中。

>&LUT.LIB（SGIwindows版本）以及glu+32.lib（微软版本）-这个文

件必须被连接到你的程序中，确保它放在LIB目录中。

>glut32.dll（Windows）和glut.dll（SGIWindows版本）-根据你所使

用的OpenGL选择一个，如果你正在使用微软公司的版本，那么你必须选

择glut32.dllo你应该把DLL放置在你的系统文件夹中。

•举例：在windowXP下使用VC6安装GLUT

>下载glutdlls并解压

>复制glut32.dll和glut.dll至!!...\windows\system32

>复制gluT.h到...\MicrosofTVisualStudio\VC98\IncIude

>复制glut32.lib和glut.lib至（..\MicrosoftVisualStudio\VCSt§\

2.1OpenGL简介

#include<GL/glut.h>

voidrenderScene(void){〃绘制一个简单的二维的三角形

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glBegin(GL_TRIANGLES);

gIVertex3f(-0.5,-0.5,0.0);

gIVertex3f(0.5,0.0,0.0);

glVertex3f(0.0,0.5,0.0);

glEnd();

glFlush();

)

voidmain(intargc,char**argv){

glutlnit(&argc,argv);〃初始化glut

glutInitDisplayMode(GLUT_DEPTHIGLUT_SINGLEIGLUT_RGBA);

〃设置窗口的模式-深度缓存，单缓存，颜色模型

glutInitWindowPosition(100,100);〃设置窗口的位置

glutInitWindowSize(320,320);〃设置窗口的大小

glutCreateWindow(“3DTech-GLUTTutorial");〃创建窗口并赋予title

glutDisplayFunc(reiiderScene);〃调用renderScene把绘制传送到窗口

ghitMainLoopO;循环等布

2.1OpenGL简介

我的电脑超星数字图

书馆

；3DTech-GLUTTutorial-1□!x|

网上邻居

回收站

Internet卡

Explorer联

flashfxp

UltraEdit

2.1OpenGL简介

•OpenGL中

＞核心（基本）库的函数名以gl为前缀

glBegin,glClear,glCopyPixels,

gIPolygonMode

＞常量以GL开头

GL_2b,GL_RGB,GL_CCW,GL_POU/GON,

GL_AMBIENT_ANb_bIFFUSE

＞库中定义的专门的数据类型以GL开头.

GLbyte,GLshort,Glint,GLfloot,GLdouble,

GLboolean

2.1OpenGL简介

•使用OpenGL的核心库

#include<windows.h>

#include<GL/gl.h>

#include<GL/glu.h>

•使用窗口管理

#include<GL/glut.h>

•C++程序所需的头文件

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<math.h>

2.1OpenGL简介

#include<GL/glut.h>

voidmydisplay(X

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glBegin(GL_POLYGON);

gIVertex2f(-0.5,-0.5);

glVertex2f(-0.5,0.5);

gIVertex2f(0.5,0.5);

glVertex2f(0.5,-0.5);

glEnd();

glFlush();

)

intmain(intargc,char**argvX

glutCreateWindow("simple");

glutDisplayFunc(mydisplay);

glutMainLoopO；

)

2.1OpenGL简介

ionname

dimensions

glVertex3f(x,v,z)

x,y,zarefloats

belonDsstoGLJlibraiy

glVertex3fv(p)

pisapointertoanarray

2.1OpenGL简介

•OpenGL的状态

•OpenGL是一个状态机(statemachine)状态：

持续性参数，颜色、线型、材质属性等

AOpenGL函数有两种类型生成图元(图元函数，如

gIVertex)如果图元可见，则被输出

»顶点如何被处理，图元的外观由状态控制

＞改变状态变换函数

A属性函数

2.1OpenGL简介

•事件循环：在程序中定义

一个显示回调函数，(display

callback),每个GLUT程序都

必须有一个显示回调函数。

只要OpenGL确定显示内容要被

刷新时，显示回调函数就会被

调用。

•main函数是以程序进入事件

循环做为结束

2.1OpenGL简介

•web：

>OpenGL官方主页：http://www.opengl.org

>OpenGL2.1Reference：

http：Uwww./sdk/docs/mac

>GLUT：http:Uwww.opengl.org/resources/libraries/glut/

>NEUE的在线GL教程：http://

•specification：

>TheOpenGLUtilityToolkit(GLUT)Programming

Interface(PDF)

>OpenGL2.1specification(PDF)

•book：

AOpenGL超级宝典（三版）（中文），人民邮电出版社

AOpenGL编程指南（四版）（中文），人民邮电出版社

>OpenGLShadingLanguage

第二章图形学编程

❖2.1OpenGL简介

❖2.2Siepinski镂垫

❖2.3编写二维图形应用程序

❖2.4OpenGLAPI

❖2.5图元和属性

❖2.6颜色

❖2.7观察

❖2.8控制函数

❖2.9Siepinski镂垫绘制程序

❖2.10多边形和递归

❖2.11三维Siepinski镂垫

❖2.12绘制隐函数曲线

❖2.13基于三角网格的等值线绘制

22Siepinski镂垫

•生成过程:定义一个三角形，三个顶点分

别为：（Xi，y「O）,（x2/y2/O）,

（、343，°）

A1.在三角型内随机选择一个初始点

（x,y,z）

A2.随机选择三个顶点之一。

A3.找出（x,y,z）和随机选择

的顶点这二者连线的中点。

A4.显示此点。

A5.用这个点代替（x,y,z）o

A6.转到步骤2。

第二章图形学编程

❖2.1OpenGL简介

❖2.2Siepinski镂垫

❖2.3编写二维图形应用程序

❖2.4OpenGLAPI

❖2.5图元和属性

❖2.6颜色

❖2.7观察

❖2.8控制函数

❖2.9Siepinski镂垫绘制程序

❖2.10多边形和递归

❖2.11三维Siepinski镂垫

❖2.12绘制隐函数曲线

❖2.13基于三角网格的等值线绘制

⑥2.3编写二维图形应用程序

/*Two-bimensionalSierpinskiGasket*/

/*GeneratedUsingRandomlySelectedVertices*/

/*AndBisection*/

#ifdef_APPLE_

#include<GLUT/glut.h>

#else

#include<GL/glut.h>

#endif

voidmyinit()

(

/*attributes*/

glClearColor(1.01.0,1.0,1.0);/*whitebackground*/

glColor3f(1.6,0.,0,0.0);/*drawinred*/

/*setupviewing*/

/*500x500windowwithoriginlowerleft*/

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadldentityO；

glu0rtho2b(0.0,50.0,0.0,50.0);

glMatrixMode(GL_MObELVIEW);

)

.3编写二维图形应用程序

void)

{GLfloatvertices[3][2]={{0.0,0.0},{25.0,50.0},{50.0,0.0}};/*任iangle*/

intj,k;

intrand();/*standardrandomnumbergenerator*/

GLfloatp[2]={7.5,5.0);/*Anarbitraryinitialpointinsidetraingle*/

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);/*clearthewindow*/

/*computeandplots5000newpoints*/

for(k=0;k<5000;k++)

{

j=rand()%3;/*pickavertexatrandom*/

/*Computepointhalfwaybetweenselectedvertexandoldpoint*/

p[0]=(p[0]+vertices[j][0])/2.0;

p[l]=(p[l]+vertices[j][l])/2.0;

/*plotnewpoint*/

glVertex2fv(p);

)

glEnd();

glFlush();/*clearbuffers*/

)

.2.3编写二维图形应用程序

voidmain(intargc,char**argv)

(

/*StandardGLUTinitialization*/

glut工nit(&argc,argv);

glutlnitbisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);

/*default,notneeded*/

glut工nitWindowSize(500,500);/*500x500pixelwindow*/

glut工nitWindowPosition(0,0);/*placewindowtopleftondisplay*/

glutCreateWindow("SierpinskiGasket");/*windowtitle*/

glutbisplayFunc(display);/*displaycallbackinvokedwhenwindow

opened*/A

myinit();/*setattributes*/AA

glutMainLoopO；/*entereventloop*/陶A,

⑥3编写二维图形学的应用程序

第二章图形学编程

❖2.1OpenGL简介

❖2.2Siepinski镂垫

❖2.3编写二维图形应用程序

❖2.4OpenGLAPI

❖2.5图元和属性

❖2.6颜色

❖2.7观察

❖2.8控制函数

❖2.9Siepinski镂垫绘制程序

❖2.10多边形和递归

❖2.11三维Siepinski镂垫

❖2.12绘制隐函数曲线

❖2.13基于三角网格的等值线绘制

2.4OpenGLAPI

•AP工的分类

»定义图元

＞改变机器内部的状态或者返回状态信息

2.4OpenGLAPI

•OpenGL接口

GLU

GLX

2.4OpenGLAPI

•图形函数：7类API

A图元函数

FunctioncallsOutput

/线段UserAGraphics-AInput/Output

program<system._________devices

/多边形DataInput

A属性函数

A视图函数(或观察函数)

A变换函数

A控制函数

A查询函数

»输入及窗口函数(GLUT)

第二章图形学编程

❖2.1OpenGL简介

❖2.2Siepinski镂垫

❖2.3编写二维图形应用程序

❖2.4OpenGLAPI

❖2.5图元和属性

❖2.6颜色

❖2.7观察

❖2.8控制函数

❖2.9Siepinski镂垫绘制程序

❖2.10多边形和递归

❖2.11三维Siepinski镂垫

❖2.12绘制隐函数曲线

❖2.13基于三角网格的等值线绘制

2.5图元和属性

•OpenGL支持两类图元

»几何图元：点、线段、多边形、曲线和曲面

»图像

GeometricPipeline

Transform►Clip►Project

OpenGL

Frame

applicationAPixeloperations

buffer

program

PixelPipeline

2.5图元和属性

•点和线段的类型

GLPOINTSGLLINESGL_LINE_STRIPGL_LINE_LOOP

2.5图元和属性

•多边形的基本概念

•多边形被正确显示：多边形是简单的、

凸的和平面的。

»­二;二

3一二,

2.5图元和属性

•多边形的基本概念

2.5图元和属性

•OpenGL中多边形类型

p2P2P2P2

Pi.•.P3PiP3PiP3PiP3

Pot也PoP4PoP4PoP4

叩

P7*•5P7P5P7P5P7P5

P6P6P6P6

GLPOINTSGL_POLYGONGL_QUADSGLJRIANGLES

PiP3P5P7

PoP2P4P6

GL_TRIANGLE_$TRIPGL_QUAD_STRIP

2.5图元和属性

•利用多边形近似球面

x(0，①)二sin0cos①

y(6，①j二cos6cos①

z(0，①，二sin①

2.5图元和属性

•利用多边形近似球面

for(phi=-80;phi<=80;phi+=20)

{phir=c*(phi+20);

phir20=c*(phi+20);

glBegin(GL_QUAD_STRIP);

For(theta=-180.0;theta<=180;theta+=20)

{thetar=c*theta;

X=sin(thetar)*cos(phir);

Y=cos(thetar)*(phir);

Z=sin(phir);

glVertex3d(x,y,z);

X=sin(thetar)*cos(phir20);

Y=cos(thetar)*cos(phir20);

Z=sin(phir20);

gIVertex3d(x,y,z)}

glEnd;}

2.5图元和属性

•利用多边形近似球面(续)

glBegin(GL_TR工ANGLE_FAN);

gIVertex3d(0.0,0.0,1.0);

c=M_PI/180;

c80=c*80;

z=sin(c80);

For(theta=-180.0;theta<=180;theta+=20)

{thetar=c*theta;

X=sin(thetar)*cos(c80);

Y=cos(thetar)*cos(c80);

glVertex3d(x,y,z);

)

glEndQ;

2.5图元和属性

•利用多边形近似球面(续)

glBegin(GL_TRIANGLE_FAN);

gIVertex3d(0.0,0.0,-1.0);

z=-s