王 風(fēng)

(無錫職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，江蘇無錫 214000)

1 OpenGL的概念

OpenGL的英文全稱是“Open Graphics Library”，顧名思義，OpenGL便是“開放的圖形程序接口”，是一套三維圖形（是指將用數(shù)據(jù)描述的三維空間通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成二維圖像并顯示或打印出來的技術(shù)）處理庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？梢园袿penGL看成一條生產(chǎn)流水線，原料是場景、物體的頂點(diǎn)、表面細(xì)節(jié)等信息，產(chǎn)品是看起來有三維感覺的平面位圖。在OpenGL中是以面邊界(BREP)模型來描述物體的，或者說是使用多邊形造型系統(tǒng)。在OpenGL中每個(gè)物體都只是一組平面，這組平面記錄了該物體的表面。顯然這些平面越小畫出不斷的物體越逼真。在OpenGL中需要用戶提供圍繞平面邊緣的線段的頂點(diǎn)參數(shù)、平面內(nèi)圖案的位圖兩組信息，術(shù)語稱為Vertex(頂點(diǎn))、Texture(紋理)。

如果表示物體的平面小到一個(gè)像素，那么得到圖像將會(huì)是極為真實(shí)的，然而這意味著天文數(shù)字般的計(jì)算任務(wù)。所以O(shè)penGL三維圖形程序設(shè)計(jì)很大程度上是在質(zhì)量與速度之間折中的藝術(shù)。OpenGL流水線工作的原理是客戶端（即咱們寫的圖形應(yīng)用程序包括命令和數(shù)據(jù)）；服務(wù)器（流水線）;幀緩沖區(qū)。

客戶在程序中所發(fā)的命令和數(shù)據(jù)并不是立即傳到流水線執(zhí)行的，流水線在收到glFlush/glFinish/SwapBuffers之類的命令之后才會(huì)真正開始執(zhí)行命令加工數(shù)據(jù)，這些命令都有說明某一階段處理相關(guān)的指令數(shù)據(jù)改送已經(jīng)結(jié)束請求獲得所需結(jié)果的含義。這就是所謂的客戶/服務(wù)器模式。

幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)包括模型的頂點(diǎn)集、線集、多邊形集，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過流程圖的上部，包括運(yùn)算器、逐個(gè)頂點(diǎn)操作等；圖像數(shù)據(jù)包括象素集、影像集、位圖集等，圖像象素?cái)?shù)據(jù)的處理方式與幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理方式是不同的，但它們都經(jīng)過光柵化、逐個(gè)片元（Fragment）處理直至把最后的光柵數(shù)據(jù)寫入幀緩沖器。

在OpenGL中的所有數(shù)據(jù)包括幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和象素?cái)?shù)據(jù)利用顯示列表技術(shù)被存儲(chǔ)在顯示列表中或者立即可以得到處理。OpenGL要求把所有的幾何圖形單元都用頂點(diǎn)來描述，這樣運(yùn)算器和逐個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算操作都可以針對每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和操作，然后進(jìn)行光柵化形成圖形碎片；對于象素?cái)?shù)據(jù)，象素操作結(jié)果被存儲(chǔ)在紋理組裝用的內(nèi)存中，再像幾何頂點(diǎn)操作一樣光柵化形成圖形片元。整個(gè)流程操作的最后，圖形片元都要進(jìn)行一系列的逐個(gè)片元操作，這樣最后的象素值送入幀緩沖器實(shí)現(xiàn)圖形的顯示。

根據(jù)這個(gè)流程，可以歸納出在OpenGL中進(jìn)行主要的圖形操作直至在計(jì)算機(jī)屏幕上渲染繪制出三維圖形景觀的基本步驟：

1）根據(jù)基本圖形單元建立景物模型，并且對所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述（OpenGL中把：點(diǎn)、線、多邊形、圖像和位圖都作為基本圖形單元）。

2）把景物模型放在三維空間中的合適的位置，并且設(shè)置視點(diǎn)（viewpoint）以觀察所感興趣的景觀。

3）計(jì)算模型中所有物體的色彩，其中的色彩根據(jù)應(yīng)用要求來確定，同時(shí)確定光照條件、紋理粘貼方式等。

4）把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)換至計(jì)算機(jī)屏幕上的象素，這個(gè)過程也就是光柵化（rasterization）。

在這些步驟的執(zhí)行過程中，OpenGL可能執(zhí)行其他的一些操作，例如自動(dòng)消隱處理等。另外，景物光柵化之后被送入幀緩沖器之前還可以根據(jù)需要對像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2 圖形設(shè)計(jì)理論

2.1 OpenGL坐標(biāo)系統(tǒng)

OpenGl是一套3D繪圖函數(shù)庫,在三維空間繪圖是他的功能，可惜人和電腦的溝通方式還不夠發(fā)達(dá)，不然藝術(shù)家就可以通過一些程序用意識(shí)憑空在空間里作畫，而現(xiàn)在仍然只能通過傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系這種一板一眼的方式將人的腦中的圖形量化，和數(shù)字化。在這一點(diǎn)上OpenGL的對空間事物的體現(xiàn)方式無疑是完善的，在OpenGL中，也有一個(gè)內(nèi)建的坐標(biāo)系，就如人的視野有限一樣，OpenGL同樣無法提供無限空間里的所有信息，但是可以把OpenGL提供的空間理解成一個(gè)盒子而正通過盒子唯一的開口向內(nèi)觀察，這一開口就是電腦屏幕，如果把這個(gè)盒子看成是一個(gè)（-2，-2，-2），（2，2，2）的立方體的話，屏幕就是在z=-2上從（2，2）到（-2，-2）的這片區(qū)域，事實(shí)上OpenGL也是這樣做的，它在所提供的空間中圈定的也是這樣一個(gè)坐標(biāo)系。初始情況下在屏幕上水平向左的為X軸正方向，豎直向上的為Y軸正方向，而Z軸則垂直于屏幕向外與屏幕平面的焦點(diǎn)為屏幕中心，坐標(biāo)則為（0，0，-2）。而人在屏幕上看到的圖形是顯示器上顯示的就是從z為負(fù)無窮處射來的平行光在Z=-2處的屏幕上所成的像。

2.2 OpenGL中繪制點(diǎn)和線

理解了OpenGL的這個(gè)坐標(biāo)體系就可以開始里面作畫了，在OpenGL中畫點(diǎn)和線是由同一組函數(shù)完成的基本結(jié)構(gòu)是這樣的

這段代碼的作用是在空間中以模式mode_parameter和顏色（R G B） 在坐標(biāo)（x1,y1,0.0）和(x2,y2,z2)處畫兩個(gè)點(diǎn)，當(dāng)然你最終看到的是不是點(diǎn)還要取決于你的mode_parameter。在glBegin()與glEnd()之間是通過glVertex的一系列函數(shù)來定義一組頂點(diǎn)然后根據(jù)mode_parameter將這些點(diǎn)連接畫線，或是以孤立點(diǎn)的形式畫出，mode_parameter有以下幾種：

比較常用的是GL_POINTS畫點(diǎn)，也就是說程序中以glVertex定義的點(diǎn)將被畫在屏幕上，GL_LINES畫線，定義的每兩個(gè)點(diǎn)將被連接起來變成一條直線，共N/2條。

GL_LINE_STRIP //將所有的點(diǎn)連接變成一條折線

GL_LINE_LOOP //將 GL_LINE_STRIP 畫成的折線頭尾相連，形成閉合圖形

GL_TRIANGLES //定義的每三個(gè)點(diǎn)將被連接起來涂成一個(gè)三角形，共N/3個(gè)

GL_QUADS //定義的每四個(gè)點(diǎn)將被連接起來涂成一個(gè)四邊形，共N/4個(gè)

在這些模式中到底是哪幾個(gè)點(diǎn)變成一組形成直線，或多邊形取決于glvertex定義點(diǎn)的次序，至此已經(jīng)能夠畫出絕大多數(shù)直線形，但是曲線呢，數(shù)學(xué)上曲線是被定義為N個(gè)點(diǎn)連成的折線，當(dāng)N趨向無窮大的情況。而在計(jì)算機(jī)中只要畫出N足夠大的折線就可以認(rèn)為是曲線了。

2.3 OpenGL中坐標(biāo)的變換

在OpenGL有內(nèi)建的坐標(biāo)系，事實(shí)上OpenGL有兩套坐標(biāo)系，眼睛坐標(biāo)eye coordinate system簡稱（ECS）和物體坐標(biāo)object coordinate system（簡稱OCS）,而用來繪圖的只是OCS。

兩個(gè)坐標(biāo)系中ECS可以看成是一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的，基本不變的全局坐標(biāo)系，而OCS則可以看成是用戶自定義的坐標(biāo)系，可以將這個(gè)坐標(biāo)系任意的平移與縮放。在初始情況下他和ECS是重合的，也可以通過glLoadIdentity()強(qiáng)制復(fù)位，這樣可以給繪圖帶來極大的方便。這里有一點(diǎn)是要值得注意的是在使用一個(gè)函數(shù)時(shí)需要弄清它是使用什么坐標(biāo)系的，剛剛用到的glVertex系列函數(shù)都是用的OCS。

2.4 消隱與雙緩沖

在圖形的旋轉(zhuǎn)過程中整個(gè)圖形都會(huì)有一定程度的閃爍現(xiàn)象，顯得圖形的過渡極不平滑，這當(dāng)然不是所要的效果，幸好OpenGL支持一個(gè)稱為雙緩存的技術(shù)，可以有效的解決這個(gè)問題。在電腦中，屏幕中顯示的東西都會(huì)被放在一個(gè)稱為顯示緩存的地方，在通常情況下只有一個(gè)這樣的緩沖區(qū)，也就是單緩沖，在單緩沖中任何繪圖的過程都會(huì)被顯示在屏幕中，這也就是為什么會(huì)看到閃爍，而所謂雙緩沖就是再這個(gè)顯示的緩沖區(qū)之外再建立一個(gè)不顯示的緩沖區(qū)，所有的繪圖都將在這個(gè)不顯示的緩沖區(qū)中進(jìn)行，只有當(dāng)一幀都繪制完了之后才會(huì)被拷貝到真正的現(xiàn)實(shí)緩沖區(qū)顯示出來，這樣中間過程對于最終用戶就是不可見的了，那即使是速度比較慢也只會(huì)出現(xiàn)停頓而不會(huì)有閃爍的現(xiàn)象出現(xiàn)。

在OpenGL中可以通過glut庫中的函數(shù)void glutSwapBuffers(void)，來實(shí)現(xiàn)從非顯示緩沖區(qū)到顯示緩沖區(qū)的復(fù)制。當(dāng)然在使用雙緩沖之前也要在glutInitDisplayMode設(shè)定參數(shù)的時(shí)候選擇GLUT_DOUBLE，而不是之前用的GLUT_SINGLE相信這兩個(gè)參數(shù)的意思也應(yīng)該很明白了。

在解決了閃爍的問題之后，來解決另一個(gè)問題。首先在窗口中畫兩個(gè)交叉的分別位于ZOX和ZOY平面的長方形，并用不同的顏色填充它們，然后讓它們旋轉(zhuǎn)很快，發(fā)現(xiàn)有個(gè)比較嚴(yán)重的問題發(fā)生了，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)OpenGL顯然沒有空間的位置觀念，所以它根本不能分辨物體的前后關(guān)系，當(dāng)然也不能做出適當(dāng)?shù)娘@示，在OpenGL中使用深度緩沖區(qū)來解決這個(gè)問題，在這個(gè)緩沖區(qū)中存放著每個(gè)象素深度信息，當(dāng)有一個(gè)新的象素需要顯示的時(shí)候，可以通過一個(gè)被稱為深度測試的函數(shù)來確定它們的先后關(guān)系，要使用深度緩沖區(qū)有以下幾個(gè)步驟：

1）在函數(shù)glutInitDisplayMode(mode)中調(diào)用GLUT_DEPTH，用來表明要使用深度緩沖區(qū)。

2）使用函數(shù)glEnable(GL_DEPTH_TEST)打開深度測試函數(shù)：

void glEnable(GLenum cap);

void glDisable(GLenum cap);

這兩個(gè)函數(shù)屬于基本狀態(tài)管理函數(shù)用來打開和關(guān)閉一些常用的功能，常用的參數(shù)有以下幾個(gè)：

GL_BLEND GL_DEPTH_TEST GL_FOG

GL_LINE_STIPPLE GL_LIGHTING

3）是用函數(shù)void glDepthFunc(GLenum func)來設(shè)置深度測試函數(shù)，比較常用的深度測試函數(shù)有GL_LESS和GL_LEQUAL兩者的區(qū)別在于當(dāng)深度相同時(shí)是顯示新的象素還是老的象素。

4）使用下面的函數(shù)來設(shè)置深度緩沖區(qū)的值void glClearDepth(GLclampd depth)

這里的參數(shù)是背景的深度，一般來說都將背景深度設(shè)成最大值1。

5）最后在使用glClear(bits)刷新背景的同時(shí)，要將GL_DEPTH_BUFFER_BIT置位，表示在刷新背景顏色的同時(shí)用刷新背景深度。

3 結(jié)束語

OpenGL被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)，可以制作出順暢的3D效果，且性能也是非常出色的。所以在當(dāng)今的三維繪制領(lǐng)域，其占據(jù)了不可動(dòng)搖的位置。我們國家的三維創(chuàng)作發(fā)展起步相當(dāng)晚，必須努力鉆研迎頭趕上。相信只要堅(jiān)持學(xué)習(xí)創(chuàng)作，最終會(huì)在OpenGL領(lǐng)域獲得鮮花和果實(shí)。

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