錢英軍 于彥明 祝玉華

1. 黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院 150060; 2. 唐山師范學(xué)院 063000

OpenGL在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

錢英軍1于彥明2祝玉華2

1. 黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院 150060; 2. 唐山師范學(xué)院 063000

根據(jù)固體物理教學(xué)特點(diǎn)將OpenGL函數(shù)庫(kù)封裝成為C++Builder的組件，使得課件的開(kāi)發(fā)效率有較大提高。

OpenGL；類；封裝

OpenGL;class; encapsulation

引言

固體物理教學(xué)難點(diǎn)之一就是如何利用多媒體技術(shù)對(duì)各種晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行形象的演示，以達(dá)到深化教學(xué)效果的目的。如果能夠進(jìn)行交互操作則效果更佳。因此我們選用了OpenGL編程的方法，此方法的優(yōu)點(diǎn)就是可以獲得真三維圖像，幾何體的大小、位置及其運(yùn)動(dòng)可以嚴(yán)格按照給定參數(shù)或函數(shù)描繪，并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)交互；缺點(diǎn)就是不能像一些二維工具提供所見(jiàn)即所得的方法，需要更多的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的知識(shí)和OpenGL庫(kù)函數(shù)的知識(shí)。

1 OpenGL面臨一個(gè)困難及處理策略

選用OpenGL面臨一個(gè)困難就是它沒(méi)有提供像C++那樣面向?qū)ο蟮念惙庋b，因此，編程效率比較低，而且不能有效地與像C++ Builder這樣的開(kāi)發(fā)工具整合在一起，使用起來(lái)很不方便。

為此，我們利用C++ Builder提供的控件開(kāi)發(fā)功能將OpenGL需要做的初始化和程序結(jié)束時(shí)應(yīng)做的釋放動(dòng)作封裝成為一個(gè)GLScene控件（選擇TCustomControl作為父類），并將其添加到組件面板Compoment Palette中。

與OpenGL初始化和關(guān)閉有關(guān)的私有數(shù)據(jù)成員有：應(yīng)用程序設(shè)備描述符句柄HDC，著色描述符表句柄HGLRC、像素格式描述符PFD等；成員函數(shù)setupPFD功能就是選擇、設(shè)置PFD。消息處理函數(shù)GLWndProc主要功能是，接到WM_CREATE消息后，運(yùn)行setupPFD函數(shù)，成功后獲取HDC，生成HGLRC后，將著色 描 述 符 表 生 效 ； 接 到WM_DESTROY后，將HGLRC失效，同HDC一起予以釋放。

在程序設(shè)計(jì)期，如果在表單上加入GLScene元件則可以在設(shè)計(jì)期對(duì)其特性進(jìn)行可視化的修改，對(duì)要響應(yīng)的事件（見(jiàn)圖一）加入處理代碼。

其次，根據(jù)固體物理晶體結(jié)構(gòu)展示要求，我們將一些OpenGL函數(shù)封裝成類，它們分別是GLCollection、GLTransform、GLMaterial、GLGeometry、GLCamera，將GLCamera和GLCollection加入TOpenGLScene。

GLCollection是我們要渲染的場(chǎng)景，它的子類包括要進(jìn)行的變換GLTransform，而GLTransform的子類是GLGeometry，它是要繪制的幾何體，它的子類是該幾何體的材質(zhì)和所需的光照。GLCamera主要負(fù)責(zé)設(shè)置視場(chǎng)變換。它們的關(guān)系見(jiàn)圖二。

2 課件開(kāi)發(fā)實(shí)例

圖一 GLScene控件的特性和響應(yīng)事件

圖二 封裝類之間關(guān)系

圖三 幾何體類的成員和方法

圖四 程序效果圖

在定義了以上類之后，就可以開(kāi)發(fā)具體的課件了。我們以面心立方體為例，來(lái)說(shuō)明上述方法的應(yīng)用過(guò)程。

首先，打開(kāi)C++Builder中建立一個(gè)新工程，然后，從組件面板中選擇TOpenGLScene放到應(yīng)用程序的窗體Form上，在對(duì)象檢視器Object Inspector中選擇Align為alClient，表示該組件與窗體的客戶區(qū)對(duì)齊，其它特性可以選擇缺省設(shè)置即可。在窗體的OnShow事件中加入處理代碼，包括 根 據(jù) 本 物 理 問(wèn) 題 生 成GLCollection、GLTransform、GLGeometry、GLMaterial、GLLight和GLCamera的實(shí)例，其中GLGeometry的成員和方法（見(jiàn)圖三）。將GLScene的GLCollection和GLCamera成員指向剛生成的實(shí)例即可，最后將應(yīng)用程序的OnIdle事件句柄指向TOpenGLScene的DrawScene函數(shù)，運(yùn)行效果如圖四。

3 結(jié)語(yǔ)

值得指出的是，在對(duì)OpenGL進(jìn)行類封裝之后，為這些類提供了具有常用參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)，在生成類的實(shí)例時(shí)調(diào)用帶有缺省參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)后，開(kāi)發(fā)速度得以加快。由于固體物理中要演示的晶體結(jié)構(gòu)不需要貼圖，所以我們?cè)趹?yīng)用中沒(méi)有對(duì)貼圖進(jìn)行封裝。

為快速開(kāi)發(fā)課件，我們?cè)诜庋b類的時(shí)候，加入了從數(shù)據(jù)文件讀取幾何體尺寸、位置和材質(zhì)參數(shù)、窗口參數(shù)、照明參數(shù)等數(shù)據(jù)的方法。這也是TOpenGLScene類創(chuàng)建的目標(biāo)-只需在數(shù)據(jù)文件中輸入?yún)?shù)，在程序設(shè)計(jì)期，給出TTransform類的變換函數(shù)，即可完成程序設(shè)計(jì)。

[1]安杰爾著,李桂瓊,張文祥譯.OpenGL程序設(shè)計(jì)指南（第2版）——國(guó)外經(jīng)典教材·計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.2005.

[2]李東,王宏.Borland C++ Builder 5 高級(jí)開(kāi)發(fā)技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社.2000.

[3]數(shù)碼影像技術(shù)叢書(shū)編委會(huì). Cosmo3D 程序設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：北京希望電子出版社.2000.

[4]數(shù)碼影像技術(shù)叢書(shū)編委會(huì). 高級(jí)圖形圖像核心技術(shù)寶典-程序員編程指南[M]. 北京：北京希望電子出版社. 2000.

[5]蔡伯壎. 固體物理基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社.1990.

OpenGL’s application in solid-state physics teaching

QIAN Yingjun1YU Yanming2ZHU Yuhua2
（1. Heilongjiang judicial officers Vocational College, Harbin 150060; 2. Tang Shan Teachers College, Tangshan 063000）

According to the solid-state physics’s teaching characteristic, the OpenGL function storehouse are encapsulated into C++Builder’s module, in this way the development efficiency of the courseware have been enhanced greatly.

錢英軍（1971- ）男，黑龍江省哈爾濱人，碩士，副教授，從事電氣工程、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。