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1、OpenGL三维图形编程,2019/6/21,OpenGL概述,OpenGL发展历史 OpenGL基本特点 OpenGL与DirectX OpenGL基本功能 OpenGL语法特点 OpenGL状态机制,OpenGL渲染流水线 OpenGL相关函数库 使用GLUT函数库 使用WGL函数库 OpenGL相关资源,建立OpenGL中的重要概念,2019/6/21,OpenGL发展历史（18）,在研究三维图形的过程中，人们开发了各种图形工具库（软件包，即一系列函数的集合） 第一个图形软件包：图形核心系统，GKS ISO（国际标准化组织）和ANSI（美国标准化所）标准：层次结构交互图形系统，PHIGS
2、，扩充后形成PHIGS SGI的图形库：GL，扩充后形成OpenGL，实际上的图形工业标准 ,2019/6/21,OpenGL发展历史（28）,OpenGL（开放性图形库Open Graphics Library）标准 GL：美国SGI公司为图形工作站开发的一种功能强大的三维图形机制 经过长期发展，在跨平台移植的过程中，由GL扩充形成 背靠SGI 公司，技术实力强大 研发资金充盈，由成立于1992年的独立财团OpenGL Architecture Review Board (OARB)控制,2019/6/21,OpenGL发展历史（38）,OpenGL标准 由SGI等OARB成员以投票方式产生
3、标准 OARB公布规范文档（Specification），各软硬件厂商据此开发自己系统上的实现 只有通过了OARB规范全部测试的实现才能称为OpenGL,2019/6/21,OpenGL发展历史（48）,OpenGL标准 1.0版，1992年7月 1.1版，1995年12月 1.2版，1998年3月 1.2.1版，1998年10月 1.3版，2001年8月 1.4版，2002年7月 1.5版，2003年7月 4.5版，目前发布的最新版本,2019/6/21,OpenGL发展历史（58）,OpenGL成为高性能图形和交互式视景处理的工业标准 SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大型硬件厂商都采
4、用OpenGL作为三维图形标准 动画软件Soft Image、动画软件3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR（虚拟现实）软件World Tool Kit、CAM（计算机辅助制造）ProEngineer、GIS（地理信息系统）软件ARC/INFO等软件的制造厂商都以OpenGL为基础进行开发,2019/6/21,OpenGL发展历史（68）,OpenGL成为高性能图形和交互式视景处理的工业标准 NVIDIA、ATI等显卡制造商支持OpenGL标准 Windows系列、Linux、Unix、OS/2等各平台都提供对OpenGL的支持,2019/6/21,OpenGL发
5、展历史（78）,OpenGL的普及应用 计算机硬件性能的提高和OpenGL本身的不断发展，使得OpenGL不再只属于专用图形工作站 开发人员可以在各种硬件平台利用OpenGL进行图形软件开发 进行图形开发实践的必备工具,2019/6/21,OpenGL发展历史（88）,OpenGL并不是唯一 OpenGL是一个相当流行的高性能图形处理标准，但并不是唯一的图形处理开发包 世界上还存在比OpenGL更优秀、更专业（功能专一，且纯粹）的开发包，也许并不是标准，但应用于一些超高端的、更专业的图形工作站，服务于一些特定应用（电影制作、游戏等等）,2019/6/21,OpenGL基本特点（13）,跨平台的
6、工业标准 标准支持灵活 各平台开发商可以自由地开发适合于各自系统的OpenGL执行实例 OpenGL功能可由特定的硬件实现，也可用纯软件例程实现，或者以软硬件结合的方式实现，只要支持标准即可,2019/6/21,OpenGL基本特点（23）,运行稳定，容易使用 只要硬件支持OpenGL标准即可使用 屏蔽硬件细节 具有良好的伸缩性 基于OpenGL API的图形应用程序可以运行在许多系统上，包括各种用户电子设备、PC、工作站以及超级计算机,2019/6/21,OpenGL基本特点（33）,具有良好的扩展性 OpenGL标准提供了一套良好的功能扩充机制 硬件升级后，可以遵循OpenGL扩展机制提供
7、相应的OpenGL函数 一个成功的OpenGL扩展会被融入在未来的OpenGL版本之中 因此，OpenGL能紧跟最新硬件发展和计算机图形绘制算法的发展,2019/6/21,OpenGL与DirectX（15）,DirectX简介 DirectX是Microsoft公司开发的底层应用程序接口，用于Windows平台下游戏软件和多媒体系统的开发 DirectX库采用COM组件思想设计，提供二进制级的组件接口,2019/6/21,OpenGL与DirectX（25）,DirectX简介 DirectX提供多媒体程序开发所需的全面的API支持 图形，DirectX Graphics 声音，Direct
8、Sound，DirectMusic 交互，DirectInput 多人网络游戏，DirectPlay 流媒体，DirectShow 现在DirectX的稳定版本是8.0和9.0,2019/6/21,OpenGL与DirectX（35）,OpenGL与DirectX的相同点 在图形绘制部分，基于相同的计算机图形学原理实现 提供绘制能力相当的图形绘制API（现在Windows平台上常用的OpenGL库，也是Microsoft依据OpenGL标准实现的）,2019/6/21,OpenGL与DirectX（45）,OpenGL与DirectX的不同点 OpenGL是跨平台标准，且有各个平台的实现；Di
9、rectX仅仅应用于Windows，由Microsoft独立开发 OpenGL仅仅提供图形绘制功能，甚至没有交互功能；DirectX则提供了多媒体程序开发所需的全部API OpenGL是函数库；DirectX则是组件库 OpenGL各版本向后兼容；DirectX的体系结构则在不停变化，并不向后兼容,2019/6/21,OpenGL与DirectX（55）,目前应用 一般显卡厂商都支持OpenGL和DirectX，同时针对两者进行硬件优化 教学、科研方面OpenGL是主流，游戏开发、商业应用则基本采用DirectX 需要跨平台应用时，只能用OpenGL,2019/6/21,OpenGL基本功能（
10、111）,物体建模与图元（Primitive）绘制 矩阵变换 颜色管理 光照和材质 纹理映射（Texture mapping） 反走样（Antialiasing） 图像特效 双缓存（Double buffering）动画,2019/6/21,OpenGL基本功能（211）,物体建模与图元（Primitive）绘制 OpenGL认为，所有的物体都是由点、线、多边形构成的，点、线、多边形被称为图元（Primitive） OpenGL一共定义了十种图元（Primitive）,2019/6/21,OpenGL基本功能（311）,物体建模与图元（Primitive）绘制,2019/6/21,OpenGL
11、基本功能（411）,物体建模与图元（Primitive）绘制 物体建模的意思就是将物体用图元（Primitive）表示，由于三点决定一个平面，所以物体常用三角面片来表示，三角面片越多，物体越复杂 OpenGL提供了各种图元的绘制函数，以及一些复杂三维物体（球、锥、多面体、茶壶）、曲线曲面（贝塞尔、NURBS）的绘制函数,2019/6/21,OpenGL基本功能（511）,矩阵变换 无论多复杂的图形都是由基本图元组成并经过一系列变换来实现的 OpenGL提供四种基本变换：平移、旋转、按比例缩放、镜像 OpenGL提供两种投影变换：平行投影（正射投影）、透视投影,2019/6/21,OpenGL基
12、本功能（611）,颜色管理 OpenGL提供了两种颜色模式：RGBA模式，颜色索引模式（Color index） RGBA模式为每个像素点指定颜色，可提供丰富多彩的色彩效果，其中A是混合因子，用于各种特效处理 对于显示能力不足的硬件，可采用颜色索引模式，系统提供一个颜色表，通常有256或4096种颜色，各像素点通过索引颜色表项得到颜色值,2019/6/21,OpenGL基本功能（711）,光照和材质 在现实生活中，物体因为受光照射和自身对各种频率光波的吸收与反射能力的不同，而呈现各自不同的颜色 OpenGL的实现 假设光仅仅由三原色（RGB）组成 物体对三原色分别有不同的反射率（即材质） 利用
13、物理光学模型，计算物体实际的颜色,2019/6/21,OpenGL基本功能（811）,纹理映射（Texture mapping） 由于物体采用图元（Primitive）表示（点、线、多边形），绘制时，有效渲染的地方也仅仅是这些点、线、多边形，其它位置的颜色值则通过插值实现，这就造成了物体绘制的不真实 纹理映射通过贴图的方式，为物体表面贴上真实的色彩花纹，这些被指定贴上的图片，就称作纹理（Texture） OpenGL提供了完善的纹理映射机制,2019/6/21,OpenGL基本功能（911）,反走样（Antialiasing） 线段在计算机中是通过一系列的像素来近似逼近的，而这些像素实际上是一
14、个个的小正方形，因此线段常常呈锯齿状，这被称为走样（Aliasing） OpenGL通过计算线段对各个像素的不同覆盖率来实现反走样（Antialiasing）,2019/6/21,OpenGL基本功能（1011）,图像特效 融合（Blending） 为了使三维图形更加具有真实感，经常需要处理半透明或透明的物体图像，这就需要用到融合技术 雾（fog） 正如自然界中存在烟雾一样，OpenGL提供了“fog“的基本操作来达到对场景进行雾化的效果,2019/6/21,OpenGL基本功能（1111）,双缓存（Double buffering）动画 出色的动画效果是OpenGL的一大特色 OpenGL通
15、过双缓存实现动画 前台缓存显示当前帧 后台缓存同时进行后续帧的场景计算，生成画面,2019/6/21,OpenGL语法特点（15）,所有OpenGL函数都使用“gl”作为前缀 如 glClearColor() 所有OpenGl常量都使用“GL_”开头，并且所有字母都大写 如 GL_FALSE,2019/6/21,OpenGL语法特点（25）,OpenGL函数后缀说明 后缀中的阿拉伯数字一般表示参数的数目 如 glVertex2i(1, 3)，表示该函数有两个参数 阿拉伯数字后的小写字符（一个或多个）表示参数类型 如 glVertex2i(1, 3)，表示该函数的两个参数都为32位整数（Inte
16、ger） 表示参数类型的后缀定义见下表,2019/6/21,OpenGL语法特点（35）,OpenGL函数后缀说明,2019/6/21,OpenGL语法特点（45）,OpenGL函数后缀说明 有些函数最后一个字母为“v”，则表示该函数参数为向量（Vector），即数组 此时，前面的阿拉伯数字表示可接受向量（数组）的长度 如 glColor3f(color_array)，表示color_array为一数组，该数组有三个元素，每个元素的类型都为32位浮点数（Float）,2019/6/21,OpenGL语法特点（55）,OpenGL数据类型 开发OpenGL程序时，为便于程序移植，最好使用OpenGL的数据类型定义 例如，尽量使用“GLint”，而不是用C或C+的“int”,2019/6/21,OpenGL状态机制（12）,OpenGL是一个状态机（State machine） 设置的状态将一直保持，直到显示改变 例如，调用 glColor3f(1.0, 1.0, 0.0) 设置当前颜色为黄色之后，除非再次调用 g
