实验1 OpenGL初识
一．实验目的
- 熟悉编程环境；了解光栅图形显示器的特点；了解计算机绘图的特点；
- 利用VC+OpenGL作为开发平台设计程序，以能够在屏幕上生成任意一个像素点作为本实验的目标。
二．实验内容
- 了解和使用VC的开发环境，理解简单的OpenGL程序结构。
- 掌握OpenGL提供的基本图形函数，尤其是生成点的函数。
三．实验原理
1. 基本语法
常用的程序设计语言，如C、C++、Pascal、Fortran和Java等，都支持OpenGL的开发。这里只讨论C版本下OpenGL的语法。
OpenGL基本函数均使用gl作为函数名的前缀，如glClearColor()；实用函数则使用glu作为函数名的前缀，如gluSphere()。OpenGL基本常量的名字以GL_开头，如GL_LINE_LOOP；实用常量的名字以GLU_开头，如GLU_FILL。一些函数如glColor*()（定义颜色值），函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式。如glColor3b(…)、glColor3d(…)、glColor3f(…)和glColor3bv(…)等，这几个函数在功能上是相似的，只是适用于不同的数据类型和格式，其中3表示该函数带有三个参数，b、d、f分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型，v则表示这些参数是以向量形式出现的。
为便于移植，OpenGL定义了一些自己的数据类型，如GLfloat、GLvoid，它们其实就是C语言中的float和void。在gl.h文件中可以看到以下定义：
typedef float GLfloat;
typedef void GLvoid;
一些基本的数据类型都有类似的定义项。
2. 程序的基本结构
OpenGL程序的基本结构可分为三个部分：
(1) 初始化：主要是设置一些OpenGL的状态开关，如颜色模式（RGBA或Alpha）的选择、是否作光照处理（若有的话，还需设置光源的特性）、深度检测、裁剪等。这些状态一般都用函数glEnable(…), glDisable(…)来设置，“…”表示特定的状态。
(2) 观察设置：设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置大小。主要利用了三个函数。
- void glViewport(left,top,right,bottom)：设置在屏幕上的窗口大小，四个参数描述屏幕窗口四个角上的坐标（以像素表示）。
- void glOrtho(left,right,bottom,top,near,far)：设置投影方式为正交投影（平行投影），其取景体积是一个各面均为矩形的六面体。
- void gluPerspective(fovy,aspect,zNear,zFar)：设置投影方式为透视投影，其取景体积是一个截头锥体。
(3) 程序主体：使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的数学描述，包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等。
3. 状态机制
OpenGL的工作方式是一种状态机制，它可以进行各种状态或模式设置，这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。例如，当前颜色就是一个状态变量，在这个状态改变之前，绘制的每个像素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其他颜色为止。
OpenGL中大量使用了这种状态机制，如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等。许多状态变量可以通过glEnable()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度检测等；在被设置成有效状态之后，绝大部分状态变量都有一个默认值。
通常情况下，可以用下列四个函数来获取某个状态变量的值：glGetBooleanv、glGetDouble、glGetFloatv和glGetIntegerv。究竟选择哪个函数应该根据所要获得的返回值的数据类型来决定。还有些状态变量有特殊的查询函数，如glGetLight*、glGetError和glPolygonStipple等。另外，使用glPushAttrib和glPopAttrib函数，可以存储和恢复最近的状态变量的值。只要有可能，都应该使用这些函数，因为它们比其他查询函数的效率更高。
4. OpenGL的坐标系统
如下图A.1所示,OpengGL坐标与绘图区坐标关系如下，
绘图区的中心点：(0.0,0.0,0.0)
绘图区的右上角点：(1.0,1.0,0.0)
绘图区的左下角点：(-1.0, 1.0,0.0)
4．实验代码
#include <GL/glut.h> //需要正确安装GLUT，安装方法如实验预备知识中所述
void myDisplay(void)
{
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glColor3f (1.0f, 1.0f, 1.0f);
glRectf(-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.5f);
glBegin (GL_TRIANGLES);
glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f); glVertex2f (0.0f, 1.0f);
glColor3f (0.0f, 1.0f, 0.0f); glVertex2f (0.8f, -0.5f);
glColor3f (0.0f, 0.0f, 1.0f); glVertex2f (-0.8f, -0.5f);
glEnd ();
glPointSize(3);
glBegin (GL_POINTS);
glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f); glVertex2f (-0.4f, -0.4f);
glColor3f (0.0f, 1.0f, 0.0f); glVertex2f (0.0f, 0.0f);
glColor3f (0.0f, 0.0f, 1.0f); glVertex2f (0.4f, 0.4f);
glEnd ();
glFlush();
}
int main(int argc, char *argv[])
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
glutInitWindowPosition(100, 100);
glutInitWindowSize(400, 400);
glutCreateWindow("Hello World!");
glutDisplayFunc(&myDisplay);
glutMainLoop();
return 0;
}
该程序的作用是在一个黑色的窗口*画一个矩形、三角形和三个点，如图A.2（a）所示。下面对主要语句进行说明。
首先，需要包含GLUT的头文件：#include <GL/glut.h>。一般，OpenGL程序还要包含<GL/gl.h>和<GL/glu.h>，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含。
然后看main函数。int main(int argc, char *argv[])，这个是带命令行参数的main函数。注意main函数中的各语句，除了最后的return之外，其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数。
下面对用到的几个函数进行介绍。
- glutInit，对GLUT进行初始化，这个函数必须在其他的GLUT使用之前调用一次。其格式比较固定，一般都是glutInit(&argc, argv)就行。
- glutInitDisplayMode，设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的还有GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）。GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的还有GLUT_DOUBLE（使用双缓冲）。更多信息，以后的实验教程会有介绍。
- glutInitWindowPosition，设置窗口在屏幕中的位置。
- glutInitWindowSize，设置窗口的大小。
- glutCreateWindow，根据前述设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意：窗口被创建后，并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口。
- glutDisplayFunc，设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用（暂且这样理解）。
- glutMainLoop，进行一个消息循环（现在只需知道这个函数可以显示窗口，并且等待窗口关闭后才会返回）。
在glutDisplayFunc函数中，我们设置了“当需要画图时，请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay函数中的三个函数调用，发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数，下面对用到的函数进行介绍。
- glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0) ：将清空颜色设为黑色（思考：为什么会有四个参数？）。
- glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)：将窗口的背景设置为当前清空颜色。
- glRectf：画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标。
- (4)glFlush：保证前面的OpenGL命令立即执行（而不是让它们在缓冲区中等待）。
5．实验提高
根据示范程序，能否在原有结果基础上添加三条直线组成三角形，结果如图A.2（b）所示？