OpenGL

OpenGL简介

OpenGL概述

OpenGL即开放性图形库（Open Graphic Library），是一个三维的计算机图形和模型库。它的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL，为使其能适用于多种硬件，SGI开发了OpenGL，并于1992年7月发布了OpenGL1.0版本。

OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统，用户用这个图形库不仅能方便的制作出有极高质量的静止三维彩色图像，还能创建出高质量的动画效果。由于OpenGL在三维真实感图形制作中具有优秀的性能，许多大公司（如Microsoft、IBM、DEC、SUN等）都将其作为自己的图形标准，从而使OpenGL成为了新一代的三维图形工业标准。

OpenGL中的图元绘制

任何复杂的图形模型都是由基本的图元点、线和多边形组成的。

1．点

OpenGL中的点一般是三维的。当应用程序需要生成一个二维顶点时，z坐标自动设为0。在内部计算时，一个三维点以四维齐次坐标（x,y,z,w）表示，w代表对（x,y,z）的缩放系数，默认值是1.0。当w≠0时，实际坐标应为（x/w,y/w,z/w）。

在OpenGL中，与点的绘制有关的函数主要有以下四个：

glVertex{2,3,4}{s i f d}[V](TYPE coords)

功能：

指定一个顶点。

参数说明：

第一对大括号{}中的“2,3,4”代表顶点的维数；第二对大括号{}中的“sifd”用于表示数据类型：短整型、整型、浮点或双精度；第三项[V]可不选，v表示后面括号中的顶点坐标是采用数组指针描述；第四项coords是指用一个数组或用（x,y,z,w）赋顶点坐标。

glBegin(Glenum mode)

功能：

描述一个几何图元顶点序列的开始。

参数说明：

mode指定在函数glBegin()和glEnd()之间的顶点序列所执行的操作。例如GL_POINTS代表单值（即画一个点），GL_LINES代表在每两个顶点间形成线段，GL_POL YGON代表多边形等等。

glEnd()

功能：

与glBegin()函数成对使用，用来标记顶点序列结束。在OpenGL中，所有的图元绘制都是利用这对函数来完成的。

glPointSize(GlfLoatt size)

功能：

设定点的大小。如果没有启动反走样，所绘制的点是一个正方形块，浮点数舍为整数宽度。如果启动反走样，就画一个圆形象素集，边界象素用低的颜色强度绘制，浮点数不进行舍入，从而使所画的点看上去较光滑。

2．线

OpenGL中的线实际上是用线段来显示，用上面介绍的glBegin()、glEnd()函数以及成对的顶点来描述。例如：

glBegin(GL_LINES);

glVertex2f(0.0,0.0);

glVertex2f(5.0,5.0);

glEnd();

上述代码描述了一条由坐标原点到点（1.0,1.0）的一条线段。

3．多边形

多边形指封闭曲线围成的区域。但OpenGL中的多边形有两个限制：多边形的边不允许相交，即确保多边形为简单多边形；多边形为凸多边形，即任意给定多边形内部的两个点，其连线完全在多边形内。有了这些限制后，首先所有的多边形都可以分割为多个凸多边形，其次也方便了硬件加速的实现。

在OpenGL中，多边形的绘制也是用函数glBegin()和glEnd()来完成的。OpenGL中的图形变换

图形变换一般包括平移、旋转和缩放。在计算机上，图形变换是由矩阵乘法来实现的。OpenGL提供了平移、旋转和缩放等函数以及一系列的矩阵操作函数。用户既可以使用OpenGL提供的函数，也可以定义自己的变换函数。

OpenGL中根据变换的不同性质，把变换分为五类：

1．视点变换

视点变换相当于在照相时，改变相机的位置和拍摄方向，来选择所要拍摄的景物或物体。默认状态时，相机和被摄物体均位于场景中的原点位置，并且相机的初始方向指向z轴负向。因此，视点坐标系是遵循左手法则的。

2．模型变换

模型变换相当于确定被摄物体在场景中的摆放方式。在OpenGL中模型变换主要指物体的平移、旋转和缩放。模型变换是在世界坐标系中进行的，该坐标系遵循右手法则，故模型变换就是视点变换的反变换。

3．投影变换

投影变换相当于选择照相机的镜头，它能决定观察范围的大小和物体投影到屏幕上的方式。在OpenGL中，投影变换分为两种，正射投影和透视投影。透视投影方式和我们日常生活中对物体的观察方式是一致的，符合“近大远小”的规则，这种投影方式主要用于创建更逼真的图像；正射投影方式将物体在不改变其相对大小的前提下直接投影到屏幕上，这种投影方式得到的最终图像能反映物体的尺寸，因此主要用于建筑蓝图及

计算机辅助设计中。

4．裁剪变换

裁剪变换是为了满足特殊用户的需求，允许用户定义另外的裁剪平面。

5．视口变换

视口变换相当于确定照片的大小，它指定图像在计算机屏幕上所占的区域，因此通过视口变换就可以确定最终得到的图像的尺寸及位置。视口变换和投影变换相结合决定了景物到计算机屏幕的映射方式。

OpenGL中的颜色模式

计算机屏幕上的颜色值是由红、绿、蓝三种颜色按照一定比例混合得到的，称为RGB 值；有时还需要另一个参数α来共同构成RGBA值。

像素点色彩信息的存储方式称为颜色模式。在OpenGL中，有两种颜色模式：RGBA模式和颜色索引模式。这两种模式都需要为像素点存储一定量的颜色数据，数据量由像素段的位平面数决定。像素点中一个位平面包含一比特数据。若存储在8个位平面中，则每一像素有8比特颜色，即256种颜色。

1．RGBA颜色模式

在RGBA模式下，R、G、B、α组各分配到一定数目m的位平面。位平面中存储的是整数，使用时除以2 m，并转成浮点数。

在该模式下，可用函数glColor*()来设置当前待绘制几何对象的颜色。例如：

void glColor3{b s i f d ub us ui}(TYPE r, TYPE g, TYPE b)

void glColor4{b s i f d ub us ui}(TYPE r, TYPE g, TYPE b, TYPEα)

void glColor3{b s i f d ub us ui}v(TYPE *v)

void glColor4{b s i f d ub us ui} v(TYPE *v)

参数*v是包含RGBA颜色数组的指针。r、g、b分别为红、绿、蓝三种颜色组分。

参数α即是表征融合度的α值。{}内是可选的数据类型。

2．颜色索引模式

颜色索引模式要使用颜色索引表，用户可以自己编制，这个索引表的基本色调只有R、G、B三种。在该模式下，可显示颜色数由颜色映射的尺寸2 n和位平面数目2m确定，即min(2 n,2 m)。

该模式下使用的函数为：

void glIndex{s i f d}(TYPE c);

void glIndex{s i f d}v (TYPE *c);

这些函数用于从颜色索引表中选取颜色。当前颜色索引值存于c中（随函数类型的不同而选取数据类型）。

OpenGL中的光照处理

光照对于三维真实感图形是非常重要的。如果没有光照，所制作的三维图形就没有立体感，和二维图形基本没有区别。

OpenGL把光分成四个独立的部分，即辐射光、环境光、漫反射光、镜面反射光。

辐射光：是最简单的一种成分，它源自发光体，并且不受其它光源的影响。

环境光：有时又称为泛光，它经过环境的多次散射，已经不可能确定其方向，而是好像来自各个方向。环境光作用于物体表面时，将沿各个方向均匀反射。

漫反射光：来自一个方向，但作用于物体表面上后将沿各个方向均匀散射。

镜面反射光：来自特定方向，并沿特定方向离开。

1．光源

OpenGL中定义光源是由函数glLight*()实现的，如下所示：

Void glLight{f, i}{v}(GLenum light, GLennum pname, TYPE param)

功能：

指定光源的各种属性。

参数说明：

light：指定一个光源。可用的值是GL_LIGHTi，其中，0<=i

pname：指定光源参数，例如GL_AMBIENT表示环境光分量的强度，

GL_DIFFUSE表示漫反射光分量的强度等等。

param：是pname所指定光源参数具体的值。

2．材质

OpenGL中的材质定义了物体表面对各种光的反射比率。

材质就是物体的一种属性，表明物体是由怎样的材料构成的。材质用函数glMaterial*()定义。

Void glMaterial {f, i}v (GLenum face, GLenum pname, TYPE parame)

功能：

指定光照计算中的所采用的材料特性。

参数说明：

face：指定物体的面。该参数的值可以为GL_FRONT，GL_BACK和GL_FRONT_AND_BACK，分别指定物体的正面、背面还是同时应用于正反两个表

面。

pname：指定物体的材料参数。例如GL_AMBIENT表示环境光色，GL_DIFFUSE 表示漫反射色等等。

param：是pname所指定材料参数具体的值。

3．光照计算

多边形的顶点在光照条件下的颜色值计算公式如下：

顶点颜色＝顶点处的材料辐射＋经顶点处材料环境光属性缩放后的全场环境光＋来自各光源经衰减处理后的各种成分（环境光、漫反射光和镜面反射光）

在场景中的每个光源都可能对顶点的最终颜色值作出贡献，各光源贡献的和代表了光源对顶点颜色的总体作用。每个光源的贡献可由下述方程得到：

单个光源的贡献＝衰减因子×聚光灯效应×（环境光项＋漫反射光项＋镜面反射光项）

对于定位光源，衰减因子＝（k c＋k1d＋k q d 2）-1，k c是定义的常数衰减因子，k1是定义的一次衰减因子，k q是定义的二次衰减因子，d是光源位置和顶点的距离。对于定向光源，衰减因子为1.0。

OpenGL中的纹理映射

纹理映射可通过指定的方式将纹理图像映射到物体表面，从而实现对真实物体纹理的模拟。但是纹理映射操作仅适用于RGBA模式下。

纹理映射主要包括4个步骤：

1．定义纹理

在OpenGL中，二维纹理的定义是通过函数void glTexImage2D（）来实现的，而一维纹理的定义是通过函数void glTexImage1D（）来实现的。由于这两个函数的参数较多，且比较复杂，在此就不详细介绍。

2．指定纹理在像素上的应用方式

OpenGL中的纹理映射方式是通过函数void glTexEnv{i,f}[v](GLenum target, GLenum panme, TYPE param )来指定的。其中参数target的唯一取值为GL_TEXTURE_ENV，pname的取值应为GL_TEXTURE_ENV_MODE，而param的三个可能取值GL_DECAL、GL_MODULATE和GL_BLEND则对应于纹理映射的三种方式。

3．启用纹理映射

纹理映射将所选用的纹理像素的分量值和无纹理时物体的颜色值加以运算，得到最终的物体颜色值。纹理映射时采用纹理像素的哪些分量，由纹理定义函数glTexImage *d()的第三个参数指定，它代表所选用的纹理像素的RGBA分量的数目。

4．用纹理坐标和几何坐标绘制场景

纹理坐标可以由1至4个分量组成，分别称为s、t、r和q。在OpenGL中通过函数void glTexCoord{1,2,3,4}{s,i,f,d}[v](TYPE coords)来设定当前的纹理坐标。纹理映射前，纹理坐标将与4×4的当前纹理矩阵相乘，通过纹理矩阵可以实现纹理的平移、旋转和缩放。

为了在场景中的物体上绘制纹理，必须同时给定物体上每个顶点的物体坐标和纹理坐标。物体坐标用来确定变换后顶点在窗口中的绘制位置，纹理坐标则用来确定此顶点所对应当纹理像素值。不同顶点间的纹理坐标通过线形插值得到。关于纹理坐标的具体计算方法不再详细介绍。

结束语

OpenGL是一个功能强大的业界图形标准，要想在短时间内完全掌握它是不可能的。由于时间和精力所限，以上只介绍了OpenGL图形系统的主要内容，对于其它的一些特性，例如效果处理、帧缓存与动画、OpenGL求值器、选择模式与反馈模式等等，都没有提及。虽然本文内容主要是从各种参考书籍上摘抄而来，但是既然已经达到了简单了解一个实际的三维图形系统的目的，那也就不虚此“文”了。