[技术讨论] [图形/游戏开发]PyOpenGL的实现

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关于OPENGL ，http://zh.wikipedia.org/wiki/OpenGL

OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口(Application programming interface)的规格，
它用于生成二维、三维图像。这个接口由近三百五十个不同的函数调用组成，用来从简单的图元绘制复杂的三维景象。
而另一种编程接口系统是仅用于Microsoft Windows上的Direct3D。OpenGL常用于CAD、虚拟实境、科学视觉化程式和电子游戏开发。

本人环境 WIN32   Python2.7

以下页面提供了 模块下载、相关文档、GL函数介绍以及对应实例  链接
http://pyopengl.sourceforge.net/

模块（接口）以及源码包下载：
http://pypi.python.org/pypi/PyOpenGL/3.0.1

当然也可以在，开始菜单打开 Python2.7\Module docs    搜索OpenGL并选择安装
实例下载： http://pypi.python.org/pypi/PyOpenGL-Demo
实例中包括了  OPENGL红皮书、NeHe教程、 GLUT库演示 的各种教材对应C语言版本的实例。

图片为demo之一

find

怎样在Windows里面搭建Python环境啊？

find

http://www.python.org/这个吗？E文不是每个人都看得懂啊
听说有2.x和3.x，初学者应该选择哪个呀？

applba

如果英文好的话，直接从3开始学。
否则从2x学吧，中文的教程相对多一些。

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from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GL import *
import sys

def display():
    glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)  #R,G,B=(0,0,0)=black , Alpha=0
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    glColor3f(0.0,1.0,0.0);        #R,G,B=(0,1,0)=Green
    glRectf(-0.5,-0.5,0.5,0.5)     #Draw a green Rectangle
    glFlush()                      #将以上的图形绘制到窗口上

glutInit(sys.argv)
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGBA)  #绘图模式，单缓冲，RGBA颜色模式
glutInitWindowSize(500,500)                 # size
glutInitWindowPosition(100,100)             # position 位置
glutCreateWindow("simple")                  # 建立视窗(并返回一个ID)
glutDisplayFunc(display)                    # 注册用于绘图的回调函数
glutMainLoop()                              #进入主循环，期间将运行注册的回调函数
复制代码

一个比较简单的opengl程序
有很多的配置过程并没有写出，GL系统会采用隐含的设置。
例如，默认的二维窗口坐标系是[-1,-1] 到 [1,1] ，也就是绘制一个（-1,-1）到 (1,1)的矩形将占据整个窗口
（当然，实际有更多的东西，z轴坐标这里也没有用上，默认区间为0->1 , 绘图默认在z=0的位置）





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, GLclampf
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

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OK，连载不能没了纲领，下面对将要介绍的内容、实例，列一个表单：

基本的视图矩阵设置 （glutDisplayMode 以及空间坐标矩阵配置）
点、线、面，几何形状的描绘
色彩
空间
基本的鼠标、键盘响应函数
显示列表
变换函数(glRotate glTranslate glScale)
视图矩阵堆栈函数
光照
立体图形、曲面 绘制函数
纹理映射
抗锯齿效果
颜色混合(透明效果)
动态模糊

大部分内容我会做一些实例和注释，但是更详细的更多的函数使用以及原理，请参考书籍：
《计算机图形学》 第三版，opengl版
《OpenGL编程指南》现在出到第七版，中文

在第一个sample中，出现了gl打头的函数，以及glut打头的函数，区分在于，gl是opengl的基本函数
完成基本渲染功能，但是它的窗口操作并不是很完整，glut是一个实用工具库，提供了更多的函数扩展，使操作和配置变得简单。
所有的pyopengl函数列表，上面也提供了对应函数的大量的实例
http://pyopengl.sourceforge.net/ ... -3.0/index.xhtml#GL

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编辑:523066680
（这部分不好讲呐。。。  要描述的东西多。按书上的话又有较多的篇幅）
从sample实例中我们看到一个注册回调函数的函数：
glutDisplayFunc(display)   
此后每次绘图、重绘，系统都会调用display函数。GL的渲染并不是一下就结束的，他是一个循环
允许你动态的改变场景、物体，实现一些动画效果以及人机交互。
所以它也定义了一系列回调函数，下面先介绍一部分常用的，为了方便描述，用C语言方式：
glutReshapeFunc(void (*func)(int width,int height))      当人为改变窗口大小时自动调用的函数
glutKeyboardFunc(void (*func)(unsigned char key,int x,int y))  用户按下按键时调用的函数。
glutMouseFunc(void (*func)(int button,int sate,int x,int y))  用户按下鼠标时，自动调用的函数
glutIdleFunc(void(*func)(void));  OGL红皮书释义:
当没有其他事件处理时，就调用这个函数，它对于连续的动画或其他背景过程非常有用

这些函数具体做什么，由编写者定义。除了命名是相对自由的，调用参数需要遵照约定，
例如对应窗口修改事件的函数 reshape() 在定义时必须有两个参数，（宽度，高度）
可以是(x,y)也可以是(foo,bar) ，系统会将窗口的像素大小传递给这两个参数，
你可以根据获取的参数对图像做相应改变。例如，窗口缩小时，图像可能应该成比例缩放。
python中就不用显式定义类型了。

还是写个实例+注释吧：
测试了一下，在脚本中添加了中文注释貌似不能直接双击执行，但是可以在IDLE中按F5执行。

from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GL import *
import sys

blue=(0.0,0.0,1.0)
green=(0.0,1.0,0.0)
red=(1.0,0.0,0.0)
color=blue

def display():
    glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)  #背景色=黑色，RGBA全为0
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)   #清除颜色缓冲区
    glColor3fv(color)              #设置下面绘制物体的颜色
                        #f表示参数类型为浮点类型，v表示接受的参数为数组形式
    glRectf(-2.0,-2.0,2.0,2.0)
    glFlush()

def reshape(winx,winy):
    glViewport(0,0,winx,winy)      #定义相对视窗大小（像素范围）
    glMatrixMode(GL_PROJECTION)    #选择投影矩阵
    glLoadIdentity()               #读取规范化的单位矩阵
    glOrtho(-100.0,100.0, -100.0,100.0, 0.0,100.0)
                                   #定义空间坐标系范围
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)     #选择模型视图矩阵
    glLoadIdentity()
    
def hitkey(key,mousex,mousey):
    global color
    if (key=='q'):                 #按下q按键时
        glutDestroyWindow(winid)   #根据ID结束窗口
        sys.exit()
    elif (key=='b'):
        color=blue
        glutPostRedisplay()        #重绘，将调用display
    elif (key=='g'):
        color=green
        glutPostRedisplay()
    elif (key=='r'):
        color=red
        glutPostRedisplay()
        
def mouse(button,state,x,y):
    pass

glutInit(sys.argv)
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGBA)
glutInitWindowSize(500,500)
glutInitWindowPosition(100,100)
winid=glutCreateWindow("hitkeytest")    #建立窗口的ID返回到winid
glutDisplayFunc(display)
glutReshapeFunc(reshape)
glutKeyboardFunc(hitkey)
glutMainLoop()
复制代码

按下q退出窗口，r,g,b按键，简单的改变绘制物体的颜色。glutPostRedisplay函数将会调用
glutDisplayFunc注册的绘图函数

关于reshape中的内容注释（暂且可以这么注释）:
glViewport(GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height)  
设定视窗绘图的像素范围，例如glutInitWindowSize(500,500)定义了窗口大小，500X500 的像素平面
坐标形式：左下角起点为0,0  ，右上角顶点为500,500。则：
    viewport(250,250,100,100) 将会选择从窗口中间(250,250)到 (250+100,250+100)的像素区域
即 ： (250,250)->(350,350)  具体请自己实践一下，不用谢。
    glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)+glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) 清理所得到的背景颜色，并不仅
限于viewport区域，而是整个500X500。但是你绘图的内容，会在这个像素区域之内。
可以参考这个尝试的结果 http://blog.csdn.net/paktc/article/details/7269049

    glOrtho(GLdouble left,GLdouble right, GLdouble bottom,GLdouble top, GLdouble near,GLdouble far)
官方说法：定义了一个正交平行的视景体
    其实我一直纠结这个该怎么描述，大概就是这样，glOrtho定义一个矩形空间，同时定义好的是空间坐标
范围。你可以依据这个空间坐标绘制任何物体，可以说是与平台无关的，但是超出空间的部分将被截去。
然后，图像终究是要显示在屏幕上的，这个空间将通过一定的形式映射到viewport定义的像素区域。
成为眼前的画面。所以，假如你定义了一个
left=-500,right=500,bottom=-500,top=500,near=0,far=500 的空间，其精细度虽然可以是任意的，
但正面图像最终会被映射到{这里的实例是 (250,250)->(350,350) 也就是100X100的}像素区间上。
这时绘制一个-500,-500->500,500的矩形，映射过来，刚好占领100X100像素区间。
Z轴的事情，一拖再拖，以后再说，我是IF_EXIST兼523066680

下面附参考图：

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图例中DISPLAY部分的代码，
def display():
    glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)  
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)   
    glBegin(GL_TRIANGLES)           #绘制几何形状的一个起始标志，GL_TRIANGLES是众多几何形状的常量之一
    glColor3f(1.0,0.0,0.0)              #定义顶点的颜色
    glVertex3f(-50.0,0.0,0.0)         #定义顶点坐标
    glColor3f(0.0,1.0,0.0)
    glVertex3f(50.0,0.0,0.0)
    glColor3f(0.0,0.0,1.0)
    glVertex3f(0.0,80.0,0.0)
    glEnd()
    glFlush()

这个例子中为了同时说明颜色，在三个顶点前面都设置了不同的颜色。
gl中的颜色设置是这样的，设置了一个颜色后，接下来的所有几何都将采用这种颜色
直到设置了下一个颜色。
这里使用的是RGB混合搭配的方式，（另一种是颜色索引模式），RGB比较直观，
可以自己预定需要的颜色（通过不同颜色的分量分配）。 其R,G,B取值范围为0.0-1.0之间。
0.0,0.0,0.0为黑色  1.0,1.0,1.0为白色   0.5,0.5,0.5为灰色。。。。

然后，如果一个几何形状，一条直线的两个、多个顶点设置了不同的颜色，
GL默认采用平滑（线性）过渡的方式进行渲染，得到一个比较柔和的效果。
是否手工设置着色方式，可以通过这个函数定义：glShadeModel(mode) mode为常量 ：
    GL_FLAT 、 GL_SMOOTH
如果在绘制三角形的例子中采用了GL_FLAT，将得到一个蓝色三角形。因为最后的颜色为蓝色
具体参考 http://pyopengl.sourceforge.net/ ... /glShadeModel.xhtml

绘制基本形状的过程：
由glBegin(mode)开始，
  glVertex函数负责设置几何的顶点
由glEnd()结束。 glBegin的参数决定了绘制的几何类型。其参数mode选项如下：
GL_POINTS
GL_LINES
GL_LINE_STRIP
GL_LINE_LOOP
GL_TRIANGLES
GL_TRIANGLE_STRIP
GL_TRIANGLE_FAN
GL_QUADS
GL_POLYGON

glVertex 的C版本函数定义：
void glVertex[234]{sifd}(TYPE coords);
void glVertex[234]{sifd}v(const TYPE* coords);

[此部分待编辑]

绘制形状对应类型如下图（引用OPENGL红皮书英文版第七版）：

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from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import gluLookAt
import time
from math import sqrt,tan
import sys

import math
winid=0
Rx,Ry,Rz=(0.0,0.0,0.0)

def init():
    glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)
    glEnable(GL_DEPTH_TEST)
    
def display():
    global Rx,Ry,Rz
    length=300.0
    y=length*sqrt(3.0)/2.0
    x=length/2.0
    movex=x/sqrt(3.0)
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

    glPushMatrix()
    glRotatef(Rx,1.0,0.0,0.0)
    glRotatef(Ry,0.0,1.0,0.0)
    glRotatef(Rz,0.0,0.0,1.0)
    glTranslatef(0.0,-movex,0.0)
    glBegin(GL_TRIANGLES)
    glColor3f(1.0,0.0,0.0);glVertex3f(-x,0.0,-1.0)
    glColor3f(0.0,1.0,0.0);glVertex3f(0.0,y,-1.0)
    glColor3f(0.0,0.0,1.0);glVertex3f(x,0.0,-1.0)
    glEnd()

    glPopMatrix()

    glutSwapBuffers()

def free():
    global Rx,Ry,Rz
    if Rx<360:
        Rx+=1.0
    elif Ry<360:
        Ry+=1.0
    elif Rz<360:
        Rz+=1.0
    else:
        Rx,Ry,Rz=(0.0,0.0,0.0)
    time.sleep(0.01)
    glutPostRedisplay()


def hitkey(key,mousex,mousey):
    print key,mousex,mousey
    if key=='q':
        glutDestroyWindow(winid)
        sys.exit()

def reshape(winx,winy):
    fa=500.0;
    glMatrixMode(GL_PROJECTION)
    glLoadIdentity()
    glOrtho(-500,500,-500,500,-10.0,fa)
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
    glLoadIdentity()
    gluLookAt(0.0,0.0,200.0, 0.0,0.0,0.0, 0.0,1.0,200.0)

glutInit(sys.argv)
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGBA|GLUT_DEPTH)
glutInitWindowSize(500,500)
glutInitWindowPosition(100,100)
winid=glutCreateWindow("1")
init()
glutDisplayFunc(display)
glutIdleFunc(free)
glutKeyboardFunc(hitkey)
glutReshapeFunc(reshape)
glutMainLoop()
复制代码

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据说新版本的OPENGL会除去 ROTATEF 函数，一些转换算法将由手工实现……
  不过入门嘛，捡着简单的先用着，以后再深入。

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题外篇：正二十面体的坐标取值：
资料收集/整理：[email]523066680@163.com[/email]


红皮书中举了个绘制正二十面体的例子,部分代码如下
（参见“2.10 创建多边形表面模型的一些提示”）

    #define X .525731112119133606
    #define Z .850650808352039932

    static GLfloat vdata[12][3] = {
       {-X, 0.0, Z}, {X, 0.0, Z}, {-X, 0.0, -Z}, {X, 0.0, -Z},
       {0.0, Z, X}, {0.0, Z, -X}, {0.0, -Z, X}, {0.0, -Z, -X},
       {Z, X, 0.0}, {-Z, X, 0.0}, {Z, -X, 0.0}, {-Z, -X, 0.0}
    };

    static GLuint tindices[20][3] = {
       {1,4,0}, {4,9,0}, {4,5,9}, {8,5,4}, {1,8,4},
       {1,10,8}, {10,3,8}, {8,3,5}, {3,2,5}, {3,7,2},
       {3,10,7}, {10,6,7}, {6,11,7}, {6,0,11}, {6,1,0},
       {10,1,6}, {11,0,9}, {2,11,9}, {5,2,9}, {11,2,7}
    };

    int i;
    glBegin(GL_TRIANGLES);
    for (i = 0; i < 20; i++) {
    /* color information here */
       glVertex3fv(&vdata[tindices[i][0]][0]);
       glVertex3fv(&vdata[tindices[i][1]][0]);
       glVertex3fv(&vdata[tindices[i][2]][0]);
    }
    glEnd();
复制代码

上面引用了两个常量  
#define X .525731112119133606
#define Z .850650808352039932
原书的解释是

我们为X 和Y 选择了两个似乎很奇怪的数，其用意在于使原点到这二十面体的每个顶点的距离均为1.0。

具体的由来我进行了一番探索


英文页面 http://en.wikipedia.org/wiki/Icosahedron
若以正二十面体的中心为原点，
各顶点的坐标分别为
(0,±1,±Φ)
(±1,±Φ,0)
(±Φ,0,±1)
此Φ = (1+√5)/2，即黄金分割数。
这些顶点能组成一些黄金矩形。

也就是说  正二十面体由三个正交黄金矩形顶点连结而成，现在坐标好找了。
至于为什么。。。。。         暂未找到理论

用正二十面体细分，来绘制球体，为了使“球体”的半径为一，需要对
(0,±1,±Φ)
(±1,±Φ,0)
(±Φ,0,±1)
进行规范化