计算机图形学·5 OpenGL编程2 完整程序

本文是记录专业课“计算机图形学”的部分笔记，参考教材为Angel的第八版交互式计算机图形学——基于WebGL 2.0的自顶向下方法。

1、事实上，大多数OpenGL程序具有相似的结构，由以下函数组成。①main()：定义了回调函数、打开一个或多个具有所需属性的窗口、进入事件循环（最后一条可执行语句）；②init()：设置状态变量如Viewing、Attributes；③callbacks如Display function显示函数、Input functions交互函数、window functions窗口函数。
2、我们先实现和上节最简单程序一样的输出，但是补上其缺省的状态值。先看main.c：

其中，①glutInit允许应用程序获取命令行参数并初始化系统。②gluInitDisplayMode请求了窗口（渲染上下文）的属性，如RGB颜色/RGBA颜色，单缓冲/双缓冲，属性按逻辑或的规则（|）组合在一起。③glutInitWindowSize以像素为单位定义窗口大小。④glutInitWindowPosition让窗口从左上角开始显示。⑤glutCreateWindow创建了一个标题为“simple”的窗口。⑥glutDisplayFunc指定了显示回调函数。⑦glutReshapeFunc则定义了改变窗口大小的时候的回调函数。⑧glutMainLoop使之进入无穷事件循环。
然后再来看init.c：

在这里，①glShadeModel(GL_SMOOTH); 定义了多边形表面的颜色计算方式，可选值为GL_SMOOTH（平滑着色，产生逼真的渐变光照效果）和GL_FLAT（平面着色，产生块状、卡通效果）。②glMatrixMode (GLenum mode); 的参数mode指定哪一个矩阵堆栈是下一个矩阵操作的目标，可选值为GL_MODELVIEW，GL_PROJECTION，GL_TEXTURE。③glLoadIdentity (); 用于重置当前指定的矩阵（在这里是投影矩阵）为单位矩阵。
3、需要特别说明glOrtho(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0);  它定义了一个视见体（一个不可见的立方体区域，只有在这个区域内的物体才会被显示出来，区域外的物体将被“裁剪”掉），其左边界在x轴的-1.0处、右边界在x轴的1.0、下边界在y轴的-1.0、上边界在y轴的1.0、近边界在z轴的-1.0处（注：OpenGL的默认设置中，相机朝向负Z轴）、远边界在z轴的1.0。
也可以认为这个函数的操作是创建一个正投影矩阵，并且用这个矩阵乘以当前矩阵。其中，近裁剪平面是一个矩形，矩形左下角点三维空间坐标是（left，bottom，-near），右上角点是（right，top，-near）；远裁剪平面也是一个矩形，左下角点空间坐标是（left，bottom，-far），右上角点是（right，top，-far）。
这生成的正投影矩阵是一个缩放和平移矩阵，其作用是将视见体的中心 `( (left+right)/2, (bottom+top)/2, (-near-far)/2 )`平移至原点 `(0,0,0)`、将视见体在X, Y, Z方向上分别缩放，使其恰好适应 [-1, 1] 的立方体范围。当这个变换完成后，任何不在 [-1, 1] 范围内的顶点（即原视见体之外的顶点）就很容易被识别和裁剪掉


4、glVertex中的units由应用程序确定，被称为世界坐标（object or problem coordinates），观察参数（viewing specifications）同样采用物体坐标系，而视见体的大小决定了图像中会显示什么内容，在这里是右手系统。在内部，OpenGL会将世界坐标转换为相机坐标（camera coordinates），然后切换到屏幕坐标，此外还会使用了一些通常对应用程序不可见的内部表示。
5、从之前的讲解可以看到，OpenGL将一个相机放置在对象空间的原点，并使其指向负z方向；默认的视见体（viewing volume）是一个以原点为中心的立方体，边长为2。而在默认的正交视图中，点沿着z轴向前投影到z=0的平面上，如下图所示：

6、在OpenGL中，投影是通过投影矩阵（变换）来执行的，由于只有一组变换函数，因此我们必须先设置矩阵模式。当调用 glMatrixMode(GL_PROJECTION)后，所有后续的矩阵操作（如 glLoadIdentity()、glOrtho()、gluPerspective()）都将作用于投影矩阵堆栈。不过由于变换函数是递增的，因此我们从单位矩阵开始，即glLoadIdentity() 之后再使用正交投影glOrtho或透视投影glFrustum/gluPerspective。
7、需要补充的是，在glOrtho（left, right, bottom, top, near, far）中，近距和远距是从相机测量的。而如果是二维呢？在那里，二维顶点命令将所有顶点放置在z=0的平面上，我们可以使用没有前、后裁剪面的函数 gluOrtho2D(left, right, bottom, top)。其中，视图或裁剪体积会变成一个裁剪窗口。
8、基本图元如下图所示。需要注意的就是GL_TRIANGLES（每3个顶点一个三角形）、GL_TRIANGLE_STRIP（高效绘制相连三角形）、GL_TRIANGLE_FAN（扇形三角形）。

这里我们必须提到多边形问题（Polygon Issues）。OpenGL只会正确显示满足以下条件的多边形：①Simple简单性（边不相交）；②Convex凸性（多边形中两点之间线段上的所有点也都在该多边形内）；③Flat平面性（所有顶点都在同一平面上）。

9、补充一些PPT略过的内容：①光滑的曲面（如球体）无法被完美表示，需要使用三角形网格来近似曲面的形状，增加多边形的数量可以提高模型平滑度、但也会增加计算开销。②三角化是将一个复杂的简单多边形分解为一组三角形的过程（图形硬件渲染三角形的效率最高）。对于凸多边形，OpenGL会自动进行三角化；对于凹多边形或带孔洞的多边形，需要开发者使用专门的库或工具处理。③OpenGL本身没有直接绘制文本的函数，需要使用位图字体/笔画字体/纹理贴图字体/GLUT工具库来实现。
10、Attributes属性决定了图元的外观，主要包括①颜色（可为点、线、多边形的正背面分别设置）；②大小和宽度；③点画模式（如虚线、点线等）；④多边形模式（GL_FILL默认模式，显示为实心填充；GL_LINE只显示多边形的边线，用于线框模式显示；GL_POINT只显示多边形的顶点）。
11、Color Model可以先回顾第2节·图像形成的加性基色（RGB）、减性基色（CMY）和补色。在RGB颜色中，每个颜色分量都单独存储在帧缓冲区中，缓冲区中每个组件通常为8位。注意，在glColor3f中，颜色值的范围从0.0（无）到1.0（全部）；而在glColor3ub中，值的颜色范围为0到255，这是一个不带符号的8位整数。
也可以采用Indexed Color 查色表颜色的方式。在这里，颜色是RGB值表中的索引，内存需求少、索引通常为8位，如下图所示：

12、在设置颜色属性时，由glColor设置的颜色将成为状态的一部分，并将一直使用直至被更新。注意，颜色和其他属性不是对象的一部分，而是在渲染对象时分配的。我们可以通过代码创建概念性的顶点颜色，例如glColor   glVertex    … … …   glColor   glVertex。
而平滑着色和平面着色非常好理解，如下图。默认的是平滑着色glShadeModel（GL_SMOOTH)
，OpenGL在可见多边形之间插值顶点颜色；而平面着色glShadeModel（GL_FLAT）以第一个顶点的颜色确定填充色。

13、最后还有控制函数，比如GLTOOLS、GLEE（GL Easy Extension library）。GLEE是一个免费的跨平台扩展加载库，为最高达3.0版本的OpenGL函数以及近400个扩展提供了无缝支持。常见函数比如：


简单程序的结构：GLUT——Main（Set up our windows、Callback）——Display（Graphics output）——Myinit