OPENGL是什么？

OpenGL三逗猛明維圖形標(biāo)準(zhǔn)是由AT＆T公司UNIX軟件實(shí)驗(yàn)室、IBM

、DEC、SUN、HP、Microsoft和SGI等多家公司在GL圖形庫標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)

上聯(lián)合推出的開放式圖形庫，它使在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維真實(shí)

感圖形的生成與顯示成為可能。由于OpenGL是開放的圖形標(biāo)

準(zhǔn)，用戶原先在UNIX下開發(fā)的OpenGL圖形軟件很容易移植到微

機(jī)上的WindowsNT／95上。筆者在VisualC＋＋4.1(以下簡稱VC)集

成環(huán)境下，開發(fā)了基于OpenGL的三維真實(shí)感圖形應(yīng)用程序，現(xiàn)

介紹如山告下。

微機(jī)上的OpenGL開發(fā)環(huán)境

基于OpenGL標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的應(yīng)用程序必須運(yùn)行于32位Windows

平臺(tái)下，如WindowsNT或Windows95環(huán)境；而且運(yùn)行時(shí)還需有動(dòng)態(tài)

鏈接庫OpenGL32.DLL、Glu32.DLL，這兩個(gè)文件在安裝WindowsNT時(shí)已

自動(dòng)裝載到C：WINNTSYSTEM32目錄下(這里假定用戶將WindowsNT

安裝在C盤上)；而對(duì)于使用Windows95平臺(tái)的用戶，則需手工將

兩個(gè)動(dòng)態(tài)庫復(fù)制到Windows95目錄的SYSTEM子目錄中。安裝了

WindowsNT／95和VC4.1后，用戶就具備了基于OpenGL開發(fā)三維圖

形軟件的基本條件。

OpenGL程序設(shè)計(jì)的基本步驟

1.OpenGL在WindowsNT下的運(yùn)行機(jī)制

OpenGL工作在客戶機(jī)／服務(wù)器模式下，當(dāng)客戶方(即基

于OpenGL標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的應(yīng)用程序)向服務(wù)器(OpenGL核心機(jī)制)發(fā)出

命令時(shí)，由服務(wù)器負(fù)責(zé)解釋這些命令。通常情況下，客戶方

和服務(wù)器是運(yùn)行在同一臺(tái)微機(jī)上的。由于OpenGL的運(yùn)行機(jī)制

是客戶機(jī)／服務(wù)器模式，這使得用戶能夠十分方便地在網(wǎng)

絡(luò)環(huán)境下使用OpenGL，OpenGL在WindowsNT上的這種實(shí)現(xiàn)方式通常

稱為網(wǎng)絡(luò)透明性。

OpenGL的圖形庫函數(shù)封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫OpenGL32.DLL中，

客戶機(jī)中的所有OpenGL函數(shù)調(diào)用，都被傳送到服務(wù)器上，由

WinSrv.DLL實(shí)現(xiàn)功能，再將經(jīng)過處理的指令發(fā)送到Win32設(shè)備驅(qū)

動(dòng)接口(DDI)，從而實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上產(chǎn)生圖像。

若使用OpenGL圖形加速卡，則上述機(jī)制中將添加兩個(gè)

驅(qū)動(dòng)器：OpenGL可裝載客戶模塊(OpenGLICD)將安裝在客戶端；硬

件指定DDI將安裝在服務(wù)器端，與WinDDI同一級(jí)別。

2.OpenGL的庫函數(shù)

開發(fā)基于OpenGL的應(yīng)用程序，必須先了解OpenGL的庫函

數(shù)。OpenGL函數(shù)命令方式十分有規(guī)律，每個(gè)庫函數(shù)均有前綴gl

、glu、aux，分別表示該函數(shù)屬于OpenGL基本庫、實(shí)用庫或輔助

庫。WindowsNT下的OpenGL包含了100多個(gè)核心函數(shù)，均以gl作為前

綴，同時(shí)還支持另外四類函數(shù)：

OpenGL實(shí)用庫函數(shù)：43個(gè)，以glu作為前綴；

OpenGL輔助庫函數(shù)：31個(gè)，以aux作為前綴；

Windows專用庫函數(shù)(WGL)：6個(gè)，以wgl作為前綴；

Win32API函數(shù)(WGL)：5個(gè)，無前綴。

OpenGL的115個(gè)核心函數(shù)提供了最基本的功能，可以實(shí)

現(xiàn)三維建模、建立光照模型、反走樣、紋理映射等；OpenGL實(shí)

用庫函數(shù)在核心函數(shù)的上一層，這類函數(shù)提供了簡單的調(diào)

用方法，其實(shí)質(zhì)是調(diào)用核心函數(shù)，目的是減輕開發(fā)者的編程

工作量；OpenGL輔助庫函數(shù)是一些特殊的函數(shù)，可以供初學(xué)者

熟悉OpenGL的編程機(jī)知寬制，然而使用輔助庫函數(shù)的應(yīng)用程序只

能在Win32環(huán)境中使用，可移植性較差，所以開發(fā)者應(yīng)盡量避

免使用輔助庫函數(shù)；Windows專用庫函數(shù)(WGL)主要針對(duì)WindowsNT

／95環(huán)境的OpenGL函數(shù)調(diào)用；Win32API函數(shù)用于處理像素存儲(chǔ)格

式、雙緩存等函數(shù)調(diào)用。

3.VC環(huán)境下基于OpenGL的編程步驟

下面介紹在VC環(huán)境中建立基于Opeetting菜單選項(xiàng)，在Link欄的Lib輸入域中

添加openg132.lib、glu32.lib，若需使用OpenGL的輔助庫函數(shù)，則還

需添加glaux.lib。

(3)選擇View／ClassWizard菜單選項(xiàng)，打開MFC對(duì)話框，在

ClassName欄中選擇CMyTestView類，進(jìn)行以下操作：

選擇WM_CREATE消息，鼠標(biāo)單擊EditCode，將OpenGL初始化代碼

添加到OnCreate()函數(shù)中：

／＊定義像素存儲(chǔ)格式＊／

PIXELFORMATDESCRIPTORpfd=

{

sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR)，

1，

PFD_DRAW_TO_WINDOW|PFD_SUPPORT_OPENGL,

PFD_TYPE_RGBA,

24，

0，0，0，0，0，0，

0，0，0，0，0，0，0

32，

0，0，

PFD_MAIN_PLANE,

0,

0,0,0,

}

CCLientdc(this);

intpixelFormat=ChoosePixelFormat(dc.m_hDC,＆pfd);

BOOLsuccess=SetPixelFormat(dc.m_hDC,pixelFormat,＆pfd);

m_hRC=wglCreateContext(dc.m_hDC);

選擇WM_DESTORY消息，在OnDestory()中添加以下代碼：

wglDeleteContext(m_hRC);

在MyTestView.cpp中，將以下代碼添加到PreCreateWindows()函數(shù)中：

cs.style|=WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS；

OpenGL只對(duì)WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS類型窗口有效；

在MyTestView.cpp中，將以下代碼添加到OnDraw()函數(shù)中：

wglMakeCurrent(pDC－>m_hDC,m_hRC);

DrawScene();／／用戶自定義函數(shù)，用于繪制三維場景；

wglMakeCurrent(pDC－>m_hDC,NULL);

在MyTestView.cpp中，添加成員函數(shù)DrawScene()：

voidCMyTestView::DrawScene()

{／＊繪制三維場景＊／}

(4)在MyTestView.h中包含以下頭文件并添加類成員說明：

＃include

＃include

＃include

在CTestView類中的protected：段中添加成員變量聲明：

HGLRCm_hRC;

同時(shí)添加成員函數(shù)聲明：

DrawScene();

這樣，一個(gè)基于OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的程序框架已經(jīng)構(gòu)造好，用

戶只需在DrawScene()函數(shù)中添加程序代碼即可。

建立三維實(shí)體模型

三維實(shí)體建模是整個(gè)圖形學(xué)的基礎(chǔ)，要生成高逼真

度的圖像，首先要生成高質(zhì)量的三維實(shí)體模型。

OpenGL中提供了十幾個(gè)生成三維實(shí)體模型的輔助庫函

數(shù)，這些函數(shù)均以aux作為函數(shù)名的前綴。簡單的模型，如球

體、立方體、圓柱等可以使用這些輔助函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，如

auxWireSphere(GLdoubleradius)(繪制一半徑為radius的網(wǎng)狀球體)。

但是這些函數(shù)難以滿足建立復(fù)雜三維實(shí)體的需要，所以用

戶可以通過其它建模工具(如3DS等)來輔助建立三維實(shí)體模

型數(shù)據(jù)庫。筆者在三維實(shí)體的建模過程中采用3DS提供的2D

Shape、3DLofter和3DEditor進(jìn)行模型的編輯，最后通過將模型數(shù)

據(jù)以DXF文件格式輸出存儲(chǔ)供應(yīng)用程序使用。

真實(shí)感圖形的繪制

1.定義光照模型和材質(zhì)

(1)光源。OpenGL提供了一系列建立光照模型的庫函

數(shù)，使用戶可以十分方便地在三維場景中建立所需的光照

模型。OpenGL中的光照模型由環(huán)境光(AmbientLight)、漫射光

(DiffuseLight)、鏡面反射光(SpecularLight)等組成，同時(shí)還可設(shè)

置光線衰減因子來模擬真實(shí)的光源效果。

例如，定義一個(gè)黃色光源如下：

GlfloatLight_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0,};

GlfloatLight_diffuse[]={1.0,1.0,0.0,1.0,};

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSTTION,light_position);／／定義光源位置

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);／／定義光源漫射光

光源必須經(jīng)過啟動(dòng)后才會(huì)影響三維場景中的實(shí)體，可以通過以下指令使光源有效：<

glEnable(LIGHTING);／／啟動(dòng)光照模型；

glEnable(GL_LIGHT0);／／使光源GL_LIGHT0有效；

OpenGL中一共可以定義GL_LIGHT0～GL_LIGHT7八個(gè)光源。

(2)材質(zhì)。OpenGL中的材質(zhì)是指構(gòu)成三維實(shí)體的材料在

光照模型中對(duì)于紅、綠、藍(lán)三原色的反射率。與光源的定義

類似，材質(zhì)的定義分為環(huán)境、漫射、鏡面反射成分，另外還

有鏡面高光指數(shù)、輻射成分等。通過對(duì)三維實(shí)體的材質(zhì)定義

可以大大提高應(yīng)用程序所繪制的三維場景的逼真程度。例

如：

／＊設(shè)置材質(zhì)的反射成分＊／

GLfloatmat_ambient[]={0.8,0.8,0.8,1.0}；

GLfloatmat_diffuse[]={0.8,0.0,0.8,1.0};／＊紫色＊／

GLfloatmat_specular[]={1.0,0.0,1.0,1.0};／＊鏡面高光亮紫色＊／

GLfloatmat_shiness[]={100.0};／＊高光指數(shù)＊／

glMaterialfv(GL_FRONT,GL_AMBIENT,mat_ambient);／＊定義環(huán)境光反射率＊／

glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);／＊定義漫射光反射率＊／

glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular);／＊定義鏡面光反射率＊／

glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHINESS,mat_shiness);／＊定義高光指數(shù)＊／

(3)材質(zhì)RGB值與光源RGB值的關(guān)系。OpenGL中材質(zhì)的顏色

與光照模型中光源的顏色含義略有不同。對(duì)于光源，R、G、B

值表示三原色在光源中所占有的比率；而對(duì)于材質(zhì)定義，R、

G、B的值表示具有這種材質(zhì)屬性的物體對(duì)于三原色的反射

比率，場景中物體所呈現(xiàn)的顏色與光照模型、材質(zhì)定義都相

關(guān)。例如，若定義的光源顏色是(Lr,Lg,Lb)=(1.0,1.0,1.0)(白光)，

物體的材質(zhì)顏色定義為(Mr,Mg,Mb)=(0.0,0.0,0.8)，則最終到達(dá)人

眼的物體顏色應(yīng)當(dāng)是(Lr＊Mr,Lg＊Mg,Lb＊Mb)=(0.0,0.0,0.8)(藍(lán)色)。

2.讀取三維模型數(shù)據(jù)

為了繪制三維實(shí)體，我們首先必須將預(yù)先生成的三

維實(shí)體模型從三維實(shí)體模型庫中讀出。下圖描述了讀取三

維實(shí)體模型的流程。

3.三維實(shí)體繪制

由于3DS的DXF文件中對(duì)于三維實(shí)體的描述是采用三角

形面片逼近的方法，而在OpenGL函數(shù)庫中，提供了繪制三角形

面片的方法，所以為三維實(shí)體的繪制提供了方便。以下提供

了繪制三角形面片的方法：

glBegin(TRANGLES);／／定義三角形繪制開始

glVertexf((GLfloat)x1,(GLfloat)y1,(GLfloat)z1);／／第一個(gè)頂點(diǎn)

glVertexf((GLfloat)x2,(GLfloat)y2,(GLfloat)z2);／／第二個(gè)頂點(diǎn)

glVertexf((GLfloat)x3,(GLfloat)y3,(GLfloat)z3);／／第三個(gè)頂點(diǎn)

glEnd();／／繪制結(jié)束

為了提高三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫的顯示速度，我們利用了

OpenGL庫中的顯示列表(DisplayList)的功能，將三維場景中的實(shí)

體分別定義為單獨(dú)的顯示列表，預(yù)先生成三維實(shí)體。在圖形

顯示時(shí)，只需調(diào)用所需的顯示列表即可顯示相應(yīng)的三維實(shí)

體，而不需要重新計(jì)算實(shí)體在場景中的坐標(biāo)，避免了大量的

浮點(diǎn)運(yùn)算。在調(diào)用顯示列表前所作的旋轉(zhuǎn)、平移、光照、材

質(zhì)的設(shè)定都將影響顯示列表中的三維實(shí)體的顯示效果。具

體實(shí)現(xiàn)算法如下：

for(ObjectNo=0;ObjectNo<實(shí)體個(gè)數(shù);ObjectNo＋＋)

{

glNewList(ObjectNo,GL_COMPILE);／／創(chuàng)建第ObjectNo個(gè)實(shí)體的顯示列表

for(Fac