第1讲基本概念

前言随着计算机多媒体技术、可视化技术及图形学技术的发展，我们可以使用计算机来精确地再现现实世界中的绚丽多彩的三维物体，并充分发挥自身的创造性思维，通过人机交互来模拟、改造现实世界，这就是目前最为时髦的虚拟现实技术。通过这种技术，建筑工程师可以直接设计出美观的楼房模型；军事指挥员可以模拟战场进行军事推演，网民可以足不出户游览故宫博物馆等名胜古迹等。而虚拟现实技术最重要的一部分内容就是三维图形编程。当前，三维图形编程工具中最为突出的是SGI公司的OpenGL（OpenGraphicsLanguage，开放式的图形语言）,它已经成为一个工业标准的计算机三维图形软件开发接口，并广泛应用于游戏开发、建筑、产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。值得一提的是，虽然微软有自己的三维编程开发工具DirectX，但它也提供OpenGL图形标准，因此，OpenGL可以在微机中广泛应用。目前，OpenGL在国内外都掀起了热潮，但国内对这一领域介绍的资料并不是很多，特别是有志于在图形图像方面进行深入研究的读者朋友，常常苦于不掌握OpenGL编程接口技术，无法向纵深领域扩展。为了开启三维图形编程这扇神秘大门，本讲座在结合OpenGL有关理论知识的基础上，着重介绍VisualC++6.0开发环境中的编程实现，由于水平有限，本讲座可能无法面面俱到，存在一些疏漏，但相信它可以将开启神秘大门的钥匙交给读者朋友们。一、OpenGL的特点及功能OpenGL是用于开发简捷的交互式二维和三维图形应用程序的最佳环境，任何高性能的图形应用程序，从3D动画、CAD辅助设计到可视化访真，都可以利用OpenGL高质量、高性能的特点。OpenGL自1992年出现以来，逐渐发展完善，已成为一个唯一开放的，独立于应用平台的图形标准，一个典型的OpenGL应用程序可以在任何平台上运行--只需要使用目标系统的OpenGL库重新编译一下。OpenGL非常接近硬件，是一个图形与硬件的接口，包括了100多个图形函数用来建立三维模型和进行三维实时交互。OpenGL强有力的图形函数不要求开发人员把三维物体模型的数据写成固定的数据格式，也不要求开发人员编写矩阵变换、外部设备访问等函数，大大地简化了编写三维图形的程序。例如：1)OpenGL提供一系列的三维图形单元（图元）供开发者调用。2)OpenGL提供一系列的图形变换函数。3)OpenGL提供一系列的外部设备访问函数，使开发者可以方便地访问鼠标、键盘、空间球、数据手套等外部设备。由于微软在Windows中包含了OpenGL，所以OpenGL可以与VisualC++紧密接合，简单快捷地实现有关计算和图形算法，并保证算法的正确性和可靠性。简单地说，OpenGL具有建模、变换、色彩处理、光线处理、纹理影射、图像处理、动画及物体运动模糊等功能：1、建模OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体，如球、锥、多面体、茶壶以及复杂曲线和曲面（例如Bezier、Nurbs等曲线或曲面）的绘制函数。2、变换OpenGL图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、变比、镜像四种变换，投影变换有平行投影（又称正射投影）和透视投影两种变换。3、颜色模式设置OpenGL颜色模式有两种，即RGBA模式和颜色索引（ColorIndex）。4、光照和材质设置OpenGL光有辐射光（EmittedLight）、环境光（AmbientLight）、漫反射光（DiffuseLight）和镜面光（SpecularLight）。材质是用光反射率来表示。客观世界中的物体最终反映到人眼的颜色是光的红绿蓝分量与材质红绿蓝分量的反射率相乘后形成的颜色。5、纹理映射（TextureMapping）利用OpenGL纹理映射功能可以十分逼真地表达物体表面细节。6、位图显示和图象增强OpenGL的图象功能除了基本的拷贝和像素读写外，还提供融合（Blending）、反走样（Antialiasing）和雾（fog）的特殊图象效果处理。以上三条可是被仿真物更具真实感，增强图形显示的效果。7、双缓存动画（DoubleBuffering）OpenGL使用了前台缓存和后台缓存交替显示场景（Scene）技术，简而言之，后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。8、特殊效果利用OpenGL还能实现深度暗示（DepthCue）、运动模糊（MotionBlur）等特殊效果。运动模糊的绘图方式（motion-blured），模拟物体运动时人眼观察所感觉的动感现象。深度域效果（depth-of-effects），类似于照相机镜头效果，模型在聚焦点处清晰，反之则模糊。这些三维物体绘图和特殊效果处理方式，说明OpenGL能够模拟比较复杂的三维物体或自然景观。二、OpenGL工作流程OpenGL的基本工作流程如下图：图一、OpenGL工作流程如上图所示，几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流程图的上部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括象素集、影像集、位图集等，图像象素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的，但它们都经过光栅化、逐个片元（Fragment）处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器。在OpenGL中的所有数据包括几何顶点数据和象素数据都可以被存储在显示列表中或者立即可以得到处理。OpenGL中，显示列表技术是一项重要的技术。OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎片；对于象素数据，象素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再象几何顶点操作一样光栅化形成图形片元。整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最后的象素值送入帧缓冲器实现图形的显示。根据这个流程，我们可以归纳出在OpenGL中进行主要的图形操作直至在计算机屏幕上渲染绘制出三维图形景观的基本步骤：1）根据基本图形单元建立景物模型，并且对所建立的模型进行数学描述（OpenGL中把：点、线、多边形、图像和位图都作为基本图形单元）。2）把景物模型放在三维空间中的合适的位置，并且设置视点（viewpoint）以观察所感兴趣的景观。3）计算模型中所有物体的色彩，其中的色彩根据应用要求来确定，同时确定光照条件、纹理粘贴方式等。4）把景物模型的数学描述及其色彩信息转换至计算机屏幕上的象素，这个过程也就是光栅化（rasterization）。在这些步骤的执行过程中，OpenGL可能执行其他的一些操作，例如自动消隐处理等。另外，景物光栅化之后被送入帧缓冲器之前还可以根据需要对像素数据进行操作。三、Windows中OpenGL库函数及数据类型（一）库函数开发基于OpenGL的应用程序，必须先了解OpenGL的库函数。它采用C语言风格，提供大量的函数来进行图形的处理和显示。OpenGL图形库一共有100多个函数，它们分别属于OpenGL的基本库、实用库、辅助库等不同的库。1、核心库，包含的函数有115个，它们是最基本的函数，其前缀是gl；这部分函数用于常规的、核心的图形处理，由gl.dll来负责解释执行。核心库中的函数可以进一步分为以下几类函数。（1）绘制基本几何图元的函数。glBegain()、glEnd()、glNormal*()、glVertex*()。（2）矩阵操作、几何变换和投影变换的函数。矩阵入栈函数glPushMatrix()，矩阵出栈函数glPopMatrix()，装载矩阵函数glLoadMatrix()，矩阵相乘函数glMultMatrix()，当前矩阵函数glMatrixMode()和矩阵标准化函数glLoadIdentity()，几何变换函数glTranslate*()、glRotate*()和glScale*()，投影变换函数glOrtho()、glFrustum()和视口变换函数glViewport()等等。（3）颜色、光照和材质的函数。如设置颜色模式函数glColor*()、glIndex*()，设置光照效果的函数glLight*()、glLightModel*()和设置材质效果函数glMaterial()等等。（4）显示列表函数。主要有创建、结束、生成、删除和调用显示列表的函数glNewList()、glEndList()、glGenLists()、glCallList()和glDeleteLists()等。（5）纹理映射函数。主要有一维纹理函数glTexImage1D()、二维纹理函数glTexImage2D()、设置纹理参数、纹理环境和纹理坐标的函数glTexParameter*()、glTexEnv*()和glTetCoord*()等。（6）特殊效果函数。融合函数glBlendFunc()、反走样函数glHint()和雾化效果glFog*()。（7）光栅化、象素操作函数。像素位置glRasterPos*()、线型宽度glLineWidth()、多边形绘制模式glPolygonMode()，读取象素glReadPixel()、复制象素glCopyPixel()等。（8）选择与反馈函数。主要有渲染模式glRenderMode()、选择缓冲区glSelectBuffer()和反馈缓冲区glFeedbackBuffer()等。（9）曲线与曲面的绘制函数。生成曲线或曲面的函数glMap*()、glMapGrid*()，求值器的函数glEvalCoord*()glEvalMesh*()。（10）状态设置与查询函数。主要有glGet*()、glEnable()、glGetError()等。2、实用库（OpenGLutilitylibrary，GLU），包含的函数功能更高一些，如绘制复杂的曲线曲面、高级坐标变换、多边形分割等，共有43个，前缀为glu。Glu函数通过调用核心库的函数，为开发者提供相对简单的用法，实现一些较为复杂的操作。此类函数由glu.dll来负责解释执行。主要包括了以下几种：（1）辅助纹理贴图函数。有gluScaleImage()、gluBuild1Dmipmaps()、gluBuild2Dmipmaps()等。（2）坐标转换和投影变换函数。定义投影方式函数gluPerspective()、gluOrtho2D()、gluLookAt()，拾取投影视景体函数gluPickMatrix()，投影矩阵计算gluProject()和gluUnProject()等。（3）多边形镶嵌工具。有gluNewTess()、gluDeleteTess()、gluTessCallback()、gluBeginPolygon()gluTessVertex()、gluNextContour()、gluEndPolygon()等。（4）二次曲面绘制工具。主要有绘制球面、锥面、柱面、圆环面gluNewQuadric()、gluSphere()、gluCylinder()、gluDisk()、gluPartialDisk()、gluDeleteQuadric()等等。（5）非均匀有理B样条绘制工具。主要用来定义和绘制Nurbs曲线和曲面，包括gluNewNurbsRenderer()、gluNurbsCurve()、gluBeginSurface()、gluEndSurface()、gluBeginCurve()、gluNurbsProperty()等函数。（6）错误反馈工具。获取出错信息的字符串gluErrorString()等。3、OpenGL辅助库（OpenGLauxiliarylibrary，GLAUX），包括简单的窗口管理、输入事件处理、某些复杂三维物体绘制等函数，共有31个，前缀为aux。此类函数由glaux.dll来负责解释执行。辅助库函数主要包括以下几类。（1）窗口初始化和退出函数。auxInitDisplayMode()和auxInitPosition()。（2）窗口处理和时间输入函数。auxReshapeFunc()、a