OpenGL入门学习.docx
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OpenGL入门学习
OpenGL入门学习
（一）
说起编程作图，大概还有很多人想起TC的#include 吧？
但是各位是否想过，那些画面绚丽的PC游戏是如何编写出来的？
就靠TC那可怜的640*480分辨率、16色来做吗？
显然是不行的。
本帖的目的是让大家放弃TC的老旧图形接口，让大家接触一些新事物。
OpenGL作为当前主流的图形API之一，它在一些场合具有比DirectX更优越的特性。
1、与C语言紧密结合。
OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的，对于学习过C语言的人来讲，OpenGL是容易理解和学习的。
如果你曾经接触过TC的graphics.h，你会发现，使用OpenGL作图甚至比TC更加简单。
2、强大的可移植性。
微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只用于Windows系统（现在还要加上一个XBOX游戏机）。
而OpenGL不仅用于Windows，还可以用于Unix/Linux等其它系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机（如：
医疗用显示设备）上都有应用。
并且，OpenGL的基本命令都做到了硬件无关，甚至是平台无关。
3、高性能的图形渲染。
OpenGL是一个工业标准，它的技术紧跟时代，现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持，激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。
总之，OpenGL是一个很NB的图形软件接口。
至于究竟有多NB，去看看DOOM3和QUAKE4等专业游戏就知道了。
OpenGL官方网站（英文）
http:
//www.opengl.org
下面将对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。
学习OpenGL前的准备工作
第一步，选择一个编译环境
现在Windows系统的主流编译环境有Visual Studio，Broland C++ Builder，Dev-C++等，它们都是支持OpenGL的。
但这里我们选择Visual Studio 2005作为学习OpenGL的环境。
第二步，安装GLUT工具包
GLUT不是OpenGL所必须的，但它会给我们的学习带来一定的方便，推荐安装。
Windows环境下的GLUT下载地址：
（大小约为150k）
http:
//www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip
无法从以上地址下载的话请使用下面的连接:
Windows环境下安装GLUT的步骤：
1、将下载的压缩包解开，将得到5个文件
2、在“我的电脑”中搜索“gl.h”，并找到其所在文件夹（如果是VisualStudio2005，则应该是其安装目录下面的“VC\PlatformSDK\include\gl文件夹”）。
把解压得到的glut.h放到这个文件夹。
3、把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹（如果是VisualStudio2005，则应该是其安装目录下面的“VC\lib”文件夹）。
4、把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。
（典型的位置为：
C:
\Windows\System32）
第三步，建立一个OpenGL工程
这里以VisualStudio2005为例。
选择File->New->Project，然后选择Win32 Console Application，选择一个名字，然后按OK。
在谈出的对话框左边点Application Settings，找到Empty project并勾上，选择Finish。
然后向该工程添加一个代码文件，取名为“OpenGL.c”，注意用.c来作为文件结尾。
搞定了，就跟平时的工程没什么两样的。
第一个OpenGL程序
一个简单的OpenGL程序如下：
（注意，如果需要编译并运行，需要正确安装GLUT，安装方法如上所述）
#include
void myDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glRectf（-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.5f）;
glFlush（）;
}
int main（int argc, char *argv[]）
{
glutInit（&argc, argv）;
glutInitDisplayMode（GLUT_RGB | GLUT_SINGLE）;
glutInitWindowPosition（100, 100）;
glutInitWindowSize（400, 400）;
glutCreateWindow（"第一个OpenGL程序"）;
glutDisplayFunc（&myDisplay）;
glutMainLoop（）;
return 0;
}
该程序的作用是在一个黑色的窗口中央画一个白色的矩形。
下面对各行语句进行说明。
首先，需要包含头文件#include ，这是GLUT的头文件。
本来OpenGL程序一般还要包含和，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含。
然后看main函数。
int main（int argc, char *argv[]），这个是带命令行参数的main函数，各位应该见过吧？
没见过的同志们请多翻翻书，等弄明白了再往下看。
注意main函数中的各语句，除了最后的return之外，其余全部以glut开头。
这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数，下面对用到的几个函数进行介绍。
1、glutInit，对GLUT进行初始化，这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。
其格式比较死板，一般照抄这句glutInit（&argc, argv）就可以了。
2、glutInitDisplayMode，设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的还有GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）。
GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的还有GLUT_DOUBLE（使用双缓冲）。
更多信息，请自己Google。
当然以后的教程也会有一些讲解。
3、glutInitWindowPosition，这个简单，设置窗口在屏幕中的位置。
4、glutInitWindowSize，这个也简单，设置窗口的大小。
5、glutCreateWindow，根据前面设置的信息创建窗口。
参数将被作为窗口的标题。
注意：
窗口被创建后，并不立即显示到屏幕上。
需要调用glutMainLoop才能看到窗口。
6、glutDisplayFunc，设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用。
（这个说法不够准确，但准确的说法可能初学者不太好理解，暂时这样说吧）。
7、glutMainLoop，进行一个消息循环。
（这个可能初学者也不太明白，现在只需要知道这个函数可以显示窗口，并且等待窗口关闭后才会返回，这就足够了。
）
在glutDisplayFunc函数中，我们设置了“当需要画图时，请调用myDisplay函数”。
于是myDisplay函数就用来画图。
观察myDisplay中的三个函数调用，发现它们都以gl开头。
这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数，下面对用到的函数进行介绍。
1、glClear，清除。
GL_COLOR_BUFFER_BIT表示清除颜色，glClear函数还可以清除其它的东西，但这里不作介绍。
2、glRectf，画一个矩形。
四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标。
3、glFlush，保证前面的OpenGL命令立即执行（而不是让它们在缓冲区中等待）。
其作用跟fflush（stdout）类似。
OpenGL入门学习
（二）
本次课程所要讲的是绘制简单的几何图形，在实际绘制之前，让我们先熟悉一些概念。
一、点、直线和多边形
我们知道数学（具体的说，是几何学）中有点、直线和多边形的概念，但这些概念在计算机中会有所不同。
数学上的点，只有位置，没有大小。
但在计算机中，无论计算精度如何提高，始终不能表示一个无穷小的点。
另一方面，无论图形输出设备（例如，显示器）如何精确，始终不能输出一个无穷小的点。
一般情况下，OpenGL中的点将被画成单个的像素（像素的概念，请自己搜索之~），虽然它可能足够小，但并不会是无穷小。
同一像素上，OpenGL可以绘制许多坐标只有稍微不同的点，但该像素的具体颜色将取决于OpenGL的实现。
当然，过度的注意细节就是钻牛角尖，我们大可不必花费过多的精力去研究“多个点如何画到同一像素上”。
同样的，数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。
同时，OpenGL的直线必须是有限长度，而不是像数学概念那样是无限的。
可以认为，OpenGL的“直线”概念与数学上的“线段”接近，它可以由两个端点来确定。
多边形是由多条线段首尾相连而形成的闭合区域。
OpenGL规定，一个多边形必须是一个“凸多边形”（其定义为：
多边形内任意两点所确定的线段都在多边形内，由此也可以推导出，凸多边形不能是空心的）。
多边形可以由其边的端点（这里可称为顶点）来确定。
（注意：
如果使用的多边形不是凸多边形，则最后输出的效果是未定义的——OpenGL为了效率，放宽了检查，这可能导致显示错误。
要避免这个错误，尽量使用三角形，因为三角形都是凸多边形）
可以想象，通过点、直线和多边形，就可以组合成各种几何图形。
甚至于，你可以把一段弧看成是很多短的直线段相连，这些直线段足够短，以至于其长度小于一个像素的宽度。
这样一来弧和圆也可以表示出来了。
通过位于不同平面的相连的小多边形，我们还可以组成一个“曲面”。
二、在OpenGL中指定顶点
由以上的讨论可以知道，“点”是一切的基础。
如何指定一个点呢？
OpenGL提供了一系列函数。
它们都以glVertex开头，后面跟一个数字和1~2个字母。
例如：
glVertex2d
glVertex2f
glVertex3f
glVertex3fv
等等。
数字表示参数的个数，2表示有两个参数，3表示三个，4表示四个（我知道有点罗嗦~）。
字母表示参数的类型，s表示16位整数（OpenGL中将这个类型定义为GLshort），
i表示32位整数（OpenGL中将这个类型定义为GLint和GLsizei），
f表示32位浮点数（OpenGL中将这个类型定义为GLfloat和GLclampf），
d表示64位浮点数（OpenGL中将这个类型定义为GLdouble和GLclampd）。
v表示传递的几个参数将使用指针的方式，见下面的例子。
这些函数除了参数的类型和个数不同以外，功能是相同的。
例如，以下五个代码段的功能是等效的：
（一）glVertex2i（1, 3）;
（二）glVertex2f（1.0f, 3.0f）;
（三）glVertex3f（1.0f, 3.0f, 0.0f）;
（四）glVertex4f（1.0f, 3.0f, 0.0f, 1.0f）;
（五）GLfloat VertexArr3[] = {1.0f, 3.0f, 0.0f};
glVertex3fv（VertexArr3）;
以后我们将用glVertex*来表示这一系列函数。
注意：
OpenGL的很多函数都是采用这样的形式，一个相同的前缀再加上参数说明标记，这一点会随着学习的深入而有更多的体会。
三、开始绘制
假设现在我已经指定了若干顶点，那么OpenGL是如何知道我想拿这些顶点来干什么呢？
是一个一个的画出来，还是连成线？
或者构成一个多边形？
或者做其它什么事情？
为了解决这一问题，OpenGL要求：
指定顶点的命令必须包含在glBegin函数之后，glEnd函数之前（否则指定的顶点将被忽略）。
并由glBegin来指明如何使用这些点。
例如我写：
glBegin（GL_POINTS）;
glVertex2f（0.0f, 0.0f）;
glVertex2f（0.5f, 0.0f）;
glEnd（）;
则这两个点将分别被画出来。
如果将GL_POINTS替换成GL_LINES，则两个点将被认为是直线的两个端点，OpenGL将会画出一条直线。
我们还可以指定更多的顶点，然后画出更复杂的图形。
另一方面，glBegin支持的方式除了GL_POINTS和GL_LINES，还有GL_LINE_STRIP，GL_LINE_LOOP，GL_TRIANGLES，GL_TRIANGLE_STRIP，GL_TRIANGLE_FAN等，每种方式的大致效果见下图：
声明：
该图片来自www.opengl.org，该图片是《OpenGL编程指南》一书的附图，由于该书的旧版（第一版，1994年）已经流传于网络，我希望没有触及到版权问题。
我并不准备在glBegin的各种方式上大作文章。
大家可以自己尝试改变glBegin的方式和顶点的位置，生成一些有趣的图案。
程序代码：
void myDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glBegin（ /* 在这里填上你所希望的模式 */ ）;
/* 在这里使用glVertex*系列函数 */
/* 指定你所希望的顶点位置 */
glEnd（）;
glFlush（）;
}
把这段代码改成你喜欢的样子，然后用它替换第一课中的myDisplay函数，编译后即可运行。
两个例子
例一、画一个圆
/*
正四边形，正五边形，正六边形，……，直到正n边形，当n越大时，这个图形就越接近圆
当n大到一定程度后，人眼将无法把它跟真正的圆相区别
这时我们已经成功的画出了一个“圆”
（注：
画圆的方法很多，这里使用的是比较简单，但效率较低的一种）
试修改下面的const int n的值，观察当n=3,4,5,8,10,15,20,30,50等不同数值时输出的变化情况
将GL_POLYGON改为GL_LINE_LOOP、GL_POINTS等其它方式，观察输出的变化情况
*/
#include
const int n = 20;
const GLfloat R = 0.5f;
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay（void）
{
int i;
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glBegin（GL_POLYGON）;
for（i=0; i glVertex2f（R*cos（2*Pi/n*i）, R*sin（2*Pi/n*i））;
glEnd（）;
glFlush（）;
}
例二、画一个五角星
/*
设五角星的五个顶点分布位置关系如下：
A
E B
D C
首先，根据余弦定理列方程，计算五角星的中心到顶点的距离a
（假设五角星对应正五边形的边长为.0）
a = 1 / （2-2*cos（72*Pi/180））;
然后，根据正弦和余弦的定义，计算B的x坐标bx和y坐标by，以及C的y坐标
（假设五角星的中心在坐标原点）
bx = a * cos（18 * Pi/180）;
by = a * sin（18 * Pi/180）;
cy = -a * cos（18 * Pi/180）;
五个点的坐标就可以通过以上四个量和一些常数简单的表示出来
*/
#include
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay（void）
{
GLfloat a = 1 / （2-2*cos（72*Pi/180））;
GLfloat bx = a * cos（18 * Pi/180）;
GLfloat by = a * sin（18 * Pi/180）;
GLfloat cy = -a * cos（18 * Pi/180）;
GLfloat
PointA[2] = { 0, a },
PointB[2] = { bx, by },
PointC[2] = { 0.5, cy },
PointD[2] = { -0.5, cy },
PointE[2] = { -bx, by };
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
// 按照A->C->E->B->D->A的顺序，可以一笔将五角星画出
glBegin（GL_LINE_LOOP）;
glVertex2fv（PointA）;
glVertex2fv（PointC）;
glVertex2fv（PointE）;
glVertex2fv（PointB）;
glVertex2fv（PointD）;
glEnd（）;
glFlush（）;
}
例三、画出正弦函数的图形
/*
由于OpenGL默认坐标值只能从-1到1，（可以修改，但方法留到以后讲）
所以我们设置一个因子factor，把所有的坐标值等比例缩小，
这样就可以画出更多个正弦周期
试修改factor的值，观察变化情况
*/
#include
const GLfloat factor = 0.1f;
void myDisplay（void）
{
GLfloat x;
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glBegin（GL_LINES）;
glVertex2f（-1.0f, 0.0f）;
glVertex2f（1.0f, 0.0f）; // 以上两个点可以画x轴
glVertex2f（0.0f, -1.0f）;
glVertex2f（0.0f, 1.0f）; // 以上两个点可以画y轴
glEnd（）;
glBegin（GL_LINE_STRIP）;
for（x=-1.0f/factor; x<1.0f/factor; x+=0.01f）
{
glVertex2f（x*factor, sin（x）*factor）;
}
glEnd（）;
glFlush（）;
}
小结
本课讲述了点、直线和多边形的概念，以及如何使用OpenGL来描述点，并使用点来描述几何图形。
大家可以发挥自己的想象，画出各种几何图形，当然，也可以用GL_LINE_STRIP把很多位置相近的点连接起来，构成函数图象。
如果有兴趣，也可以去找一些图象比较美观的函数，自己动手，用OpenGL把它画出来。
OpenGL入门学习（三）
在第二课中，我们学习了如何绘制几何图形，但大家如果多写几个程序，就会发现其实还是有些郁闷之处。
例如：
点太小，难以看清楚；直线也太细，不舒服；或者想画虚线，但不知道方法只能用许多短直线，甚至用点组合而成。
这些问题将在本课中被解决。
下面就点、直线、多边形分别讨论。
1、关于点
点的大小默认为1个像素，但也可以改变之。
改变的命令为glPointSize，其函数原型如下：
void glPointSize（GLfloat size）;
size必须大于0.0f，默认值为1.0f，单位为“像素”。
注意：
对于具体的OpenGL实现，点的大小都有个限度的，如果设置的size超过最大值，则设置可能会有问题。
例子：
void myDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glPointSize（5.0f）;
glBegin（GL_POINTS）;
glVertex2f（0.0f, 0.0f）;
glVertex2f（0.5f, 0.5f）;
glEnd（）;
glFlush（）;
}
2、关于直线
（1）直线可以指定宽度：
void glLineWidth（GLfloat width）;
其用法跟glPointSize类似。
（2）画虚线。
首先，使用glEnable（GL_LINE_STIPPLE）;来启动虚线模式（使用glDisable（GL_LINE_STIPPLE）可以关闭之）。
然后，使用glLineStipple来设置虚线的样式。
void glLineStipple（GLint factor, GLushort pattern）;
pattern是由1和0组成的长度为16的序列，从最低位开始看，如果为1，则直线上接下来应该画的factor个点将被画为实的；如果为0，则直线上接下来应该画的factor个点将被画为虚的。
以下是一些例子：
声明：
该图片来自www.opengl.org，该图片是《OpenGL编程指南》一书的附图，由于该书的旧版（第一版，1994年）已经流传于网络，我希望没有触及到版权问题。
示例代码：
void myDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glEnable（GL_LINE_STIPPLE）;
glLineStipple（2, 0x0F0F）;
glLineWidth（10.0f）;
glBegin（GL_LINES）;
glVertex2f（0.0f, 0.0f）;
glVertex2f（0.5f, 0.5f）;
glEnd（）;
glFlush（）;
}
3、关于多边形
多边形的内容较多，我们将讲述以下四个方面。
（1）多边形的两面以及绘制方式。
虽然我们目前还没有真正的使用三维坐标来画图，但是建立一些三维的概念还是必要的。
从三维的角度来看，一个多边形具有两个面。
每一个面都可以设置不同的绘制方式：
填充、只绘制边缘轮廓线、只绘制顶点，其中“填充”是默认的方式。
可以为两个面分别设置不同的方式。
glPolygonMode（GL_FRONT, GL_FILL）; // 设置正面为填充方式
glPolygonMode（GL_BACK, GL_LINE）; // 设置反面为边缘绘制方式
glPolygonMode（GL_FRONT_AND_BACK,
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