Python之OpenGL笔记(32)：正交投影画六角星

一、目的

1、摄像机应用，正交投影画六角星；

二、程序运行结果

三、摄像机的设置

   吴亚峰《OpenGL ES 3.x游戏开发》（上卷）内容
   从日常生活的经验中可以很容易地了解到，随着摄像机位置、姿态的不同，就算是对同一个场景进行拍摄，得到的画面也是迥然不同的。
   摄像机的设置需要给出 3 方面的信息，包括摄像机的位置、观察的方向以及 up 方向，具体情况如图5-1 所示。

• 摄像机的位置很容易理解，用其在 3D 空间中的坐标来表示。
• 摄像机观察的方向可以理解为摄像机镜头的指向，用一个观察目标点来表示（通过摄像机位置与观察目标点可以确定一个向量，此向量即代表了摄像机观察的方向）。
• 摄像机的 up 方向可以理解为摄像机顶端的指向，用一个向量来表示。

  可以看出，摄像机的位置、朝向、 up 方向可以有很多不同的组合。
  程序通过调用pyrr.matrix44.create_look_at()方法来完成对摄像机的设置

mvMatrix = pyrr.matrix44.create_look_at(cameraPos, cameraFront, cameraUp,None)

四、两种投影方式

  在图元装配之后的光栅化阶段前，首先需要把虚拟 3D 世界中的物体投影到二维平面上。 OpenGL中常用的投影模式有两种，分别为正交投影与透视投影
##1、 正交投影
  OpenGL中，根据应用程序中ᨀ供的投影矩阵，管线会确定一个可视空间区域，称为
视景体。视景体是由 6 个平面确定的，这 6 个平面分别为：上平面（up）、下平面（down）、左平面（left）、右平面（right）、远平面（far）、*面（near）。
  场景中处于视景体内的物体会被投影到*面上（视景体外面的物体将被裁剪掉），然后再将*面上投影出的内容映射到屏幕上的视口中。对于正交投影而言，视景体及*面的情况如图 5-3所示。

  从图 5-3 中可以看出，由于正交投影是平行投影的一种，其投影线（物体的顶点与*面上投影点的连线）是平行的。故其视景体为长方体，投影到*面上的图形不会产生真实世界中“近大远小”的效果，图 5-4 更清楚地说明了这个问题

五、源代码

"""
程序名称：GL_orthoM.py
编程: dalong10
功能: 正交投影的实现
参考资料： 《OpenGL ES 3.x游戏开发》（上卷）吴亚峰
"""
import myGL_Funcs        #Common OpenGL utilities,see myGL_Funcs.py
import glfw
from OpenGL.GL import *
import numpy 
import numpy as np
import pyrr
from PIL import Image

StarVS = """
# version 330
layout(location = 0) in vec3 a_position; //顶点位置
layout(location = 1) in vec3 a_color;   //顶点颜色
uniform mat4 rotation;                  //总变换矩阵
out vec3 v_color;                       //用于传递给片元着色器的变量
void main()
{
    gl_Position = rotation * vec4(a_position, 1.0);  //根据总变换矩阵计算此次绘制此顶点位置 
    v_color = a_color;          //将接收的颜色传递给片元着色器
}
"""

StarFS = """
# version 330
in vec3 v_color;      //接收从顶点着色器过来的参数
out vec4 out_color;   //输出到的片元颜色
void main()
{
    out_color = vec4(v_color, 1.0f); //给此片元颜色值
}
"""

class SixPointedStar:
    def initVertexData(self,R,r,z):  # 初始化顶点数据的initVertexData方法
        self.vertexs   = np.array([], np.float32)  # 位置FloatArray(numPoint * 3)
        self.colorArray = np.array([], np.float32)    # 颜色FloatArray(numPoint * 4)
        # 把矩形平铺在一个平面上
        PI = np.pi
        tempAngle=int(360/6)
        count=0
        for angle in range(0,360,tempAngle):  # 循环生成构成六角形各三角形的顶点坐标
            x1=0.0  #第一个三角形,三个点
            y1=0.0
            z1=z
            x2=R*np.cos(PI*angle/180) 
            y2=R*np.sin(PI*angle/180)
            z2=z
            x3=r*np.cos(PI*(angle+tempAngle/2)/180) 
            y3=r*np.sin(PI*(angle+tempAngle/2)/180) 
            z3=z

            x4=0
            y4=0
            z4=z            
            x5=r*np.cos(PI*(angle+tempAngle/2)/180) 
            y5=r*np.sin(PI*(angle+tempAngle/2)/180)
            z5=z
            x6=R*np.cos(PI*(angle+tempAngle)/180) 
            y6=R*np.sin(PI*(angle+tempAngle)/180)
            z6=z

            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x1,y1,z1], np.float32) ))  #每个顶点xyz三个坐标，6个顶点 
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([1,1,1], np.float32) ))    #中心点为白色
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x2,y2,z2], np.float32) ))    
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([0.45,0.75,0.75], np.float32) ))    #边上的点为淡蓝色
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x3,y3,z3], np.float32) ))    
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([0.45,0.75,0.75], np.float32) ))    #边上的点为淡蓝色
            
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x4,y4,z4], np.float32) ))    
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([1,1,1], np.float32) ))    #中心点为白色
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x5,y5,z5], np.float32) ))   
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([0.45,0.75,0.75], np.float32) ))    #边上的点为淡蓝色
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([x6,y6,z6], np.float32) ))            
            self.vertexs=np.hstack((self.vertexs, np.array([0.45,0.75,0.75], np.float32) ))    #边上的点为淡蓝色

    def __init__(self,R,r,z):
        self.R= R
        self.r= r
        self.z = z  
        self.initVertexData(R,r,z)
        # load shaders
        self.program = myGL_Funcs.loadShaders(StarVS, StarFS)
        #print('ok1')
        glUseProgram(self.program)
        self.vertIndex = glGetAttribLocation(self.program, b"a_position")
        self.colorIndex = glGetAttribLocation(self.program, b"a_color")
                    # set up vertex array object (VAO)
        self.vao = glGenVertexArrays(1)
        glBindVertexArray(self.vao)            
        #  Step2: 创建并绑定VBO 对象 传送数据
        #self.vertexs= vertices
        vertexData = numpy.array(self.vertexs, numpy.float32)
        self.vertexBuffer = glGenBuffers(1)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, self.vertexBuffer)
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 4*len(vertexData), vertexData, GL_STATIC_DRAW)                 
                    # enable arrays
        # 顶点位置属性
        glEnableVertexAttribArray(self.vertIndex)
        glVertexAttribPointer(self.vertIndex, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, vertexData.itemsize * 6, ctypes.c_void_p(0))               
        # 顶点颜色属性
        glEnableVertexAttribArray(self.colorIndex)
        glVertexAttribPointer(self.colorIndex, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, vertexData.itemsize * 6, ctypes.c_void_p(12))               
        # unbind VAO
        glBindVertexArray(0)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0)    
               
    def render(self, model):  
        # use shader
        glUseProgram(self.program)
        # set modelview matrix
        glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(self.program, 'rotation'), 
                          1, GL_FALSE, model)       
        # bind VAO
        glBindVertexArray(self.vao)
        # draw
        #print(len(self.vertexs))
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,len(self.vertexs) )
        # unbind VAO
        glBindVertexArray(0)       

# glfw callback functions
def window_resize(window, width, height):
    glViewport(0, 0, width, height)


if __name__ == '__main__':
    import sys
    import glfw
    import OpenGL.GL as gl
    cameraPos=np.array([2.0, 0.0, 3])      # 眼睛的位置（默认z轴的正方向）
    cameraFront=np.array([0.0, 0.0, 0.0])  # 瞄准方向的参考点（默认在坐标原点）
    cameraUp=np.array([0.0, 1.0, 0.0])     # 定义对观察者而言的上方（默认y轴的正方向）

    # Initialize the library
    if not glfw.init():
        sys.exit()
    # Create a windowed mode window and its OpenGL context
    window = glfw.create_window(400, 300, "My OpenGL window", None, None)
    if not window:
        glfw.terminate()
        sys.exit()
    # set window's position
    glfw.set_window_pos(window, 100, 100)
    # set the callback function for window resize
    glfw.set_window_size_callback(window, window_resize)
    # make the context current
    glfw.make_context_current(window)

    glClearColor(0, 0.1, 0.1, 1)
    glEnable(GL_DEPTH_TEST)
    glEnable(GL_BLEND)
    glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)
        
    scale1 = pyrr.matrix44.create_from_scale(pyrr.Vector3([1, 1, 1]))
    cube1 = pyrr.matrix44.create_from_translation(pyrr.Vector3([-0.2, 0, 0]))
    board= [None]*6     #创建对象数组
    for i in range(6):
        board[i]=SixPointedStar(0.2,0.5,-0.3*i)
    # the main application loop
    while not glfw.window_should_close(window):
        width, height = glfw.get_framebuffer_size(window)
        ratio = width / float(height)
        currentFrame =  1.0*glfw.get_time()
        glfw.poll_events()           
        gl.glViewport(0, 0, width, height)       
        gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        gl.glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
        gl.glLoadIdentity()
        gl.glOrtho(-ratio, ratio, -1, 1, 1, -1)
        gl.glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)
        gl.glLoadIdentity()
        gl.glClearColor(0.0,0.0,4.0,0.0)  
        pMatrix = pyrr.matrix44.create_orthogonal_projection_matrix(-1, 1,-1,1,  1, 10.0,None)
        # modelview matrix
        mvMatrix = pyrr.matrix44.create_look_at(cameraPos, cameraFront, cameraUp,None)
        for i in range(6):           
            model1 = pyrr.matrix44.multiply(scale1, cube1)       
            model2 = pyrr.matrix44.multiply(pMatrix,model1)       
            model3 = pyrr.matrix44.multiply(mvMatrix,model2)        
            board[i].render( model3)

        glfw.swap_buffers(window)

    # terminate glfw, free up allocated resources
    glfw.terminate()

六、参考资料

1、大龙10的简书：https://www.jianshu.com/p/49dec482a291
2、吴亚峰《OpenGL ES 3.x游戏开发》（上卷）

本文地址：https://blog.csdn.net/dalong10/article/details/107614923