opengl学习必备

第一章 OpenGL 概览

§１.１OpenGL 是什么 1. OpenGL 是一个通用共享的开放式三维图形标准

2. OpenGL 是一个开放的针对于图形硬件的三维图形软件包，是图形硬件的软件接口

3. OpenGL 是指令和函数的集合（从程序员的角度看），是一个优秀的专业化的 3D 的 API

§１.２OpenGL 能作什么 1. 建模。 2. 变换 3. 颜色模式设置 4. 光照和材质设置 5. 纹理映射 6. 位图显示和图像增强 7. 双缓存动画

§１.３OpenGL 函数语法 1) 所有 OpenGL 函数都以 gl 作为前，且词首字母大写（如glClearColor（）函数）； 2) OpenGL 中定义的常数都以 GL 开头，所有的字母都大写，且单词之间以下划线来分隔（例如 GL_COLOR_BUFFER_BIT）； 3) OpenGL 命令（OpenGL 函数常被称为 OpenGL 命令）常常带有后。如：glColor3f()和 glVertex3f()中的后 3f；后指示出该函数的参数的个数和类型，其中 3 表示该函数需要 3 个参数，f 表示参数为浮点型数值。对于同一个功能函数，由于后的不同，可以有多种不同形式的函数（如：glVertex2i()、glVertex2f()、glVertex3f()、glVertex3d()、glVertex4f()、glVertex4fv()等）。某些 OpenGL 函数可以接受多至 8 种不同的数据类型作为它们的参数。表 1-1 列出了命令后的类型和相应的 OpenGL 的类型。 4) 有一些 OpenGL 函数的后面带有一个字母 v。这表示该命令带有的是一个指向矢量（即数组）值的指针参数。如：Glfloat color_array [] = ｛ 1.0,1.0,1.0 ｝; glColor3fv(color_array); 以数组名 color_array 为参数，该命令等价于 glColor3f(1.0,1.0,1.0);

后定义数据类型 C 语言类型 OpenGL 类型定义ｂ 8 位整数 signed char GLbyte ｓ 16 位整数 short GLshort ｉ 32 位整数 long GLint, GLsizei ｆ 32 位浮点数 float GLfloat, GLcampf ｄ 64 位浮点数 double GLdouble, GLclampd ｕｂ 8 位无符号整数 unsigned char GLubyte, GLboolean ｕｓ 16 位无符号整数 unsigned short GLushort ｕｉ 32 位无符号整数 unsigned long GLuint, GLenum, GLbitfield 表１－１命令后参数数据类型

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§１.４OpenGL 状态机制 1.

2.

OpenGL 是一个状态机。这就是说，OpenGL 中有各种状态变量，OpenGL 用这些状态变量控制图形的渲

染。将 OpenGL 设置为各种状态（或各种模式）后，这些状态一直有效地保存在 OpenGL 的状态变量中，

直到改变这些状态的值为止。状态变量所控制的功能一般要通过命令：glEnable()和glDisable()来激活或取消。注意：每一个状态变量或模式都有一个默认值。程序员可以在程序中的任何位置，对系统进行查询，

以获得一个状态变量的当前值。

①一般，可以使用以下 6 个函数来完成查询操作：

概览glGetBooleanv()、glGetDoublev()、glGetFloatV()、glGetIntegerv()、glGetPointerv()、

glIsEnabled()。

②另外，程序员可以用 glPushAttrib()和 glPopAttrib()命令将有关属性堆栈的状态变量集的值保存起来，可以暂时进行修改，后使用 glPopAttrib()和 glPopClientAttrib()命令保存这些值。

§１.５OpenGL 渲染管道这里所说的 OpenGL 渲染管道即 OpenGL 的工作顺序。大多数

OpenGL 应用都采用一个相似的操作顺序，这些一系列的处理阶段被称为 OpenGL 渲染管道。

图１－１操作顺序图§１.６OpenGL 函数库 1. 核心函数库 2. 实用

函数库 3. 辅助函数库 4. GLUT-----OpenGL 应用工具包 5. Windows 系统扩展函数库

§１.７一个简单的 OpenGL 程序该程序使用 GLUT 工具包；GLUT（OpenGL Utility Toolkit）

是一个和窗口系统无关的工具包，它是由 Mark Kilgard 编制出来的，用于隐藏不同窗口系

统 API 的复杂性。GLUT 用来进行窗口管理工作，可以简化诸如打开窗口、检测输入等等操作；另外，GLUT 还包括了一些用于创建复杂三维物体的子程序。从学习 OpenGL 的角度，

他是一个良好的开端。该程序清单如下：

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//GLUT 库可以从网上下载：包括头文件 glut.h，静态库文件 glut32.lib，动态库文件

glut32.dll //以及将这些文件复制到相应的位置： //glut.h ===> ...\Microsoft Visual Studio\VC98\Include\GL //glut32.lib ===> ...\Microsoft Visual Studio\VC98\Lib //glut32.dll ===> ...\WINNT\system32 #include //包含glut.h 头文件后, 不再需要包含 gl.h 或 glu.h void init(void) { glClearColor (1.0, 1.0, 1.0, 0.0);//设置清除背景的颜色为白色 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); glFrustum(-1.0,1.0,-1.0,1.0,1.0,5.0);//定义一个视景体} void display(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT);//用 glClearColor()命令设

置的颜色清除背景 glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); //设置当前颜色为红色（RGB 模式）glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); glTranslatef(0.0,0.0,-2.0); glutWireTeapot(1.0);//绘制多边形，此多边形将是红色 glFlush (); //强制 OpenGL

处理以上的命令。 } int main(int argc, char** argv) { //初始化 GLUT glutInit(&argc, argv); //设置窗口的模式 glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); //

指定窗口左上角在屏幕上的位置（单位：像素） glutInitWindowSize (250, 250); //

指定窗口的尺寸（单位：像素） glutInitWindowPosition (100, 100); //创建一个

具有 OpenGL 场景的窗口 glutCreateWindow ("hello"); init (); //注册显示回

调函数 glutDisplayFunc(display); //显示创建的窗口；进入事件处理循环，并触

发注册后的显示回调函数 glutMainLoop(); return 0; }

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第二章 Windows 环境下 OpenGL 编程在 Windows95 中以及以后的 Windows 系统中都支

持 OpenGL，并且对 OpenGL 进行了扩展，增加了 16 个 WGL 函数，6 个 Win32 函数（用以

支持窗口像素格式和双缓冲区），以及 4 个相关的结构。 1. 与 OpenGL 相关的 Win32 函数：ChoosePixelFormat DescribePixelFormat GetEnhMetaFilePixelFormat GetPixelFormat SetPixelFormat SwapBuffers 2. 与OpenGL 相关的WGL 函数：wglCopyContext wglCreateContext wglCreateLayerContext wglDeleteContext wglDescribeLayerPlane wglGetCurrentContext wglGetCurrentDC wglGetLayerPaletteEntries wglGetProcAddress wglMakeCurrent wglRealizeLayerPalette wglSetLayerPaletteEntries wglShareLists wglSwapLayerBuffers wglUseFontBitmaps wglUseFontOutlines 3. 与 OpenGL 相关的结构：GLYPHMETRICSFLOAT LAYERPLANEDESCRIPTOR PIXELFORMATDESCRIPTOR POINTFLOAT

◎绘图描述表 RC（Rendering Context） 1. 在 windows 下 GDI 作图必须通过设备描述表

DC（Device Context）来调用相关的函数；用 OpenGL 也是类似，OpenGL 函数需要通过 RC （绘图描述表）来完成三维图形的绘制。也就是说：OpenGL 的 RC 是传递所有 OpenGL 命令

的端口。 2. Windows GDI中的DC包含Window NT和Windows 95 GDI的信息，而OpenGL 中

的RC包含有OpenGL 信息。 3. 调用 OpenGL 函数的每一个线程都要有一个当前的 RC，该 RC 把 OpenGL 与 Windows 的窗口系统连接起来。 4. 绘图描述表 RC 需要程序员自己创建；创建时，是在一个 windows 的 DC 基础上创建，所以在创建前，要先定义一个 Windows DC。第 5 页

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5. 在创建 RC 之前，一定要先设定与该 RC 相联系的 DC 的像素格式。（*）

6. RC 创建后，需要把它设定为线程的当前 RC，这样就使 Windows 的 DC 和 OpenGL 的 RC 建立了真正的联系，通过 OpenGL 函数调用，RC 就可以在已经定义的 DC 上画图。

7. OpenGL 函数调用结束后，使 RC 从线程上脱离，并删除。管理绘图描述表 RC 的 wgl 函数有 5 个，如下表：WGL 函数功能 WglCreateContext 创建一个新的绘图描述表（RC） WglMakeCurrent 设置一个线程的当前的绘图描述表（RC） WglGetCurrentContext 给一个线程的当前绘图描述表提供一个句柄 WglGetCurrentDC 给与一个线程当前的绘图描述表相关的设备描述表提供一个句柄 WglDeleteContext 删除绘图描述表

◎像素格式像素格式定义ＯｐｅｎＧＬ绘制画面时的如下一些属性：◆像素缓冲区是单缓冲的还是双缓冲的◆像素数据是用ＲＧＢＡ颜色模式还是颜色指数模式◆颜色数据的位数◆深度缓存的位数◆模板缓存的位数◆交替面类型◆各种可见性屏蔽

从ＯｐｅｎＧＬ的渲染管道（绘图过程）知道，无论进而ＯｐｅｎＧＬ的是何种数据，ＯｐｅｎＧＬ

终都将都进行像素操作，即把像素写到帧缓存中．ＯｐｅｎＧＬ需要知道怎样操纵这些像素，因此必须设置像素的属性（即像素格式）．在 Microsoft Windows NT 和 Windows 95 上采用数据结构PIXELFORMATDESCRIPTION 来传送像素的属性．因此必须要通过PIXELFORMATDESCRIPTION 这个结构来描述一钟特定的像素格式．typedef struct tagPIXELFORMATDESCRIPTOR {

WORD nSize;

WORD nVersion;

DWORD dwFlags;

BYTE iPixelType;

BYTE cColorBits;

BYTE cRedBits;

BYTE cRedShift;

BYTE cGreenBits;

BYTE cGreenShift;

BYTE cBlueBits;

BYTE cBlueShift;

BYTE cAlphaBits;

BYTE cAlphaShift;

BYTE cAccumBits;

BYTE cAccumRedBits;

BYTE cAccumGreenBits;

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BYTE cAccumBlueBits;

BYTE cAccumAlphaBits;

BYTE cDepthBits;

BYTE cStencilBits;

BYTE cAuxBuffers;

BYTE iLayerType;

BYTE bReserved;

DWORD dwLayerMask;

DWORD dwVisibleMask;

DWORD dwDamageMask;

} PIXELFORMATDESCRIPTOR;

管理像素格式的 Win32 函数如下： Win32 函数功能 ChoosePixelFormat 提供与指定像素

格式匹配的设备描述表像素格式 SetPixelFormat 把设备描述表的当前像素格式赋给指定像

素格式指数的像素格式 GetPixelFormat 提供设备描述表当前像素格式的像素格式指数DescribePixelFormat 根据给定的设备描述表和像素格式指数，用像素格式属性填充PIXELFORMATDESCRIPTOR 结构 GetEnhMetaFilePixelFormat 给增强的元文件检索像素格式

信息

◎Windows 环境下极小化ＯｐｅｎＧＬ应用程序的建立的步骤１．包含相应的头文件要在

应用程序中使用 OpenGL 函数，首先要包含相应的头文件：使用 OpenGL 核心函数-----

#include 使用 GLU 库函数 --------- #incloude 使用 AUX

库函数 -------- #include 使用 WGL 和 Win32 函数-- #include

２．设置像素格式①填充 PIXELFORMATDESCRIPTION 结构．设置像素格式，

首先要填充 PIXELFORMATDESCRIPTION 结构．这需要对 OpenGL 有一个较深的理解，并且要

知道它在 Windows 上的被执行过程．我们首先采用其缺省值如下： PIXELFORMATDESCRIPTOR

pfd = { sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR), // size of this pfd 1, // version number PFD_DRAW_TO_WINDOW | // support window

PFD_SUPPORT_OPENGL, // support OpenGL PFD_TYPE_RGBA, // RGBA type 24, // 24-bit color depth

0, 0, 0, 0, 0, 0, // color bits ignored 0, // no alpha buffer 0, // shift bit ignored

0, // no accumulation buffer

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0, 0, 0, 0, // accum bits ignored 32, // 32-bit z-buffer 0, // no stencil buffer

0, // no auxiliary buffer PFD_MAIN_PLANE,

// main layer 0, // reserved 0, 0, 0 // layer masks ignored }; ②设置像素格式一旦对结构 PIXELFORMATDESCRIPTOR 进

行了初始化，就可以设置像素格式了．如下代码：

int iPixelformat; if ( (iPixelformat = ChoosePixelFormat(m_pDC->GetSafeHdc(),

&pfd)) == 0 ) { MessageBox("ChoosePixelFormat failed"); return

FALSE; } if (SetPixelFormat(m_pDC->GetSafeHdc(),iPixelformat, &pfd) ==

FALSE) { MessageBox("SetPixelFormat failed"); return

FALSE; } ChoosePixelFormat（）函数在硬件所支持的像素格式中选择于

pdf 所要求的像素格式匹配的一个． SetPixelFormat（）函数把设备描述表的像素格式设置

成由索引值 iPixelformat 所指向的像素格式．必须注意的是：一个应用程序只能为一个窗

口设置一次像素格式，并且一旦设置，在程序执行的过程中，就不能进行更改．而且，在创建绘图描述表（ＲＣ）之前，必须设置像素格式，否则 RC 就不知道他该选择什么样的像素属性了．３．创建绘图描述表（RC）一个ＯｐｅｎＧｌ程序必须有一个绘图描述表，并且在应用ＯｐｅｎＧＬ绘图之前他就应该是当前的．在 WINDOWS 中创建绘图描述表的方法是：⑴通过响应 Windows 消息 WM_CREATE 来创建并当前化一个绘图描述表．

HDC hdc; HGLRC hglrc; hdc = GetDC(hWnd); //得到窗口的设备描述表ＤＣmyPixelFormatSetupFunction(hdc);//在此函数内设置合适的像素格式wglCreateContext(hdc); //创建绘图描述表ＲＣ wglMakeCurrent(hdc,hglrc); //把建立的ＲＣ当前化，使之于ＤＣ相联系

⑵通过响应 Windows 消息 WM_DESTROY 来使一个绘图描述表不是当前的并删除它．

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HDC hdc;

HGLRC hglrc;

If(hglrc = wglGetCurrentContex() )

{ hdc = wglGetCurrentDC();

wglMakeCurrent(NULL,NULL);

ReleaseDC(hwnd,hdc);

WglDeleteContext(hglrc); }

４．ＯｐｅｎＧＬ绘图初始化在用ＯｐｅｎＧＬ绘图之前要进行一些初始化操作，在WM_CREATE 消息的响应函数中设定．５．在 WM_SIZE 消息的响应函数中建立ＯｐｅｎＧＬ视景体和窗口可视区

７．在 View 的 OnDraw（）函数中进行具体的ＯｐｅｎＧＬ绘图操作．

if(cy > 0)

{ if((m_oldRect.right > cx) || (m_oldRect.bottom > cy))

RedrawWindow();

m_oldRect.right = cx;

m_oldRect.bottom = cy;

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

glFrustum(-1.0,1.0,-1.0,1.0,0.0,7.0); //设定视景体

glViewport(0, 0, cx, cy) }

６．在 View 的 OnDraw（）函数中进行具体的ＯｐｅｎＧＬ绘图操作．

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第 3 章状态管理和绘制几何物体§３．１ＯｐｅｎＧＬ绘图准备在绘图准备过程中，涉及３个主题：（１）如何清空窗口（２）如何设置颜色（３）如何强制完成图形绘制这些内容是在绘制图形前的准备基础，任何绘制几何物体的程序都要涉及这几项内容．◆清除窗口为什么要清除窗口？在计算机上屏幕上绘图不同于在纸上绘图，因为纸初是白色的，绘制者需要做的

只是画出图形．在计算机上，载有图画的内存常常被后画出的那幅图占据着，所以在开始画一个新的场景之前，常常需要以某种背景颜色将其清空．采用何种背景颜色，取决于具体的用户应用程序．如何清除？先指定采用什么清空颜色来清除，再用清除命令来清除．如下

所示：把一个 RGBA 模式的窗口清为黑色．

GlClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); //将清空颜色指定为黑色GlClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); //用清除命令将窗口清为指定的黑色

void glClearColor( GLclampf red , GLclampf green , GLclampf blue , GLclampf alpha ); 该函数在 RGBA 模式中，设置当前的清空颜色缓存．默认的清除颜色为黑色（0,0,0,0）void glClear( GLbitfield mask); 该函数以当前的清除值清除指定的缓存．参数 mask 是在下表中所列值按为＂或＂的连接 Mask Buffer to be Cleared GL_COLOR_BUFFER_BIT 颜色缓存GL_DEPTH_BUFFER_BIT 深度缓存GL_ACCUM_BUFFER_BIT 累积缓存GL_STENCIL_BUFFER_BIT 模板缓存

◆设置颜色１．在ＯｐｅｎＧＬ中，对所要绘制物体的形状描述和对其颜色的描述是相互独立的．２．一个特定的几何物体不论在什么时候画出，都使用当前指定的着色方案３．只要不改变当前颜色和着色方案，所有的物体都使用或该着色方案画出．例如，伪代码：set_current_color(red); draw_object(A); //物体Ａ会画成红色 draw_object(B); //物体Ｂ也会画成红色set_current_color(green); set_current_color(blue); draw_object(C); //物体Ｃ画成蓝色，不是绿色

void glColor3*( GLfloat red , GLfloat green , GLfloat blue );

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void glColor4b( GLbyte red , GLbyte green , GLbyte blue , GLbyte alpha );

red,green,blue 各是红色、绿色、蓝色颜色的分量

◆强制完成绘图 void glFlush( void );

void glFinish(void);

§３．２点、线、多边形的描述ＯｐｅｎＧＬ中定义了３种基本几何图元---点，线，多边形。所有的复杂图形都需要由这些图元来构造。所有的几何图元终都以其顶点坐标来描述。

◆什么是点、线和多边形数学上的点、线和多边形的意义和 OpenGL 中的相似，但是并不完全相同： 1. 一个差别是来自于计算机能力的限制。由于计算机中浮点数的计算精度有限，存在着舍入误差。因此，OpenGL 中的点、线和多边形的坐标都要受到影响 2. 另一个重要的差别源于光栅图形显示的限制。在光栅图形显示中，小的显示单位是一个像素。OpenGL 在计算机中，假设点由浮点数向量来表示，然而在实际绘制中，点经常就是单个像素。因此OpenGL 会将许多个坐标值相近的点都绘制在同一个像素点上。●点一个点是由一系列定义为顶点的浮点数来表示。OpenGL 内部计算总是以三维情况来处理。二维坐标，将 z 坐标值默认赋值为 0。齐次坐标，将 w 归一化。●线在 OpenGL 中，线指的是线段。一组线段相连而成的线是以这些线段端点所处的位置来定义的。●多边形多边形是指由线段组成的单个闭合回路围成的区域。这些线段由其端点处的顶点指定。在 OpenGL 中，对多边形图元的组成作了一些强制的限制：1．ＯｐｅｎＧＬ多边形的边不可以相交．２．ＯｐｅｎＧＬ多边形必须是凸的．注意：如果程序员为ＯｐｅｎＧＬ指定一个非凸的填充多边形，ＯｐｅｎＧＬ将绘制出意想不到的图形．由于ＯｐｅｎＧＬ顶点一般是三维的，这些组成特定多边形边界的点并不必位于空间的同一平面内．●矩形ＯｐｅｎＧＬ提供了一种填充矩形的绘制函数：ｇｌＲｅｃｔ＊（）．矩形当然可以当做一

个多边形来绘制，但是特定的ｇｌＲｅｃｔ＊（）函数将使特定的ＯｐｅｎＧＬ实现得到大大的优化．●曲线和曲面所有的光滑曲线和曲面都可以有短线段和小多边形区域以任意的精度进行逼近．ＯｐｅｎＧＬ提供有对曲线细分和直接绘制的方法．◆定义顶点在ＯｐｅｎＧＬ中，所有的几何物体终都要描述成一个顶点的有序集合．程序员可以用ｇｌＶｅｒｔｅｘ＊（）来定义一个顶点． void glVertex{234}{sifd}[v](输入坐标) １．此函数定

义用于描述几何物体的一个顶点．

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２．通过相应的命令，程序员可以用多到４个坐标（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）、少到两个坐标（ｘ，ｙ）来指定一个特定的顶点．３．如果选择了一种没有明确指定ｚ或ｗ的命令，则ＯｐｅｎＧＬ认为ｚ为０而ｗ为１．４．对函数ｇｌＶｅｒｔｅｘ＊（）的调用，应该在 glBegin()和 glEnd()成对函数之间．◆ OpenGL 的几何绘图图元 1. ＯｐｅｎＧＬ提供了描述点，线，多边形的绘制机制．它们通过 glBegin()函数和 glEnd()函数配对来完成． 2. 程序员需要将每组顶点放在 glBegin()函数调用和 glEnd()函数调用之间． 3. 绘制图元的类型（只有点，线，多边形这三种）由 glBegin()函数的参数来指定． 4. glBegin()函数和 glEnd()函数必须要配对使用． void glBegin( GLenum mode );

void glEnd( void ); GlBegin()函数标志描述一个几何图元的顶点列表的开始．图元的类型有参数ｍｏｄｅ来给定．GlEnd()函数标志着顶点列表的结束．几何图元的名称和意义值意义 GL_POINTS 独立的点 GL_LINES 一对顶点表示一条线段 GL_LINE_STRIP 一系列的相连的线段GL_LINE_LOOP 闭合的相连的线段GL_TRIANGLES 三角形顶点的三元组GL_TRIANGLE_STRIP 连接的三角形条带 GL_TRIANGLE_FAN 连接的三角形扇面 GL_QUADS 四边形顶点的四元组