OpenGL之矩阵堆栈绘制立体图元
绘制流程
一、main函数
- 初始化双缓冲窗口：glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
- 设置window初始化：glutInitWindowSize；
- 注册重塑函数（changeSize）、显示函数（renderScene）、特殊键位回调函数（glutSpecialFunc）、普通键位回调函数（glutKeyboardFunc）、设置渲染函数等；
二、changeSize (int w, int h) 重塑函数
- 设置视口：窗口刚刚创建或者已更改大小；
- 设置投影方式：透视投影，并获得投影矩阵，载入投影矩阵堆栈中；
- 模型视图矩阵初始化，加载一个单元矩阵。
三、SetupRC() 函数
- 初始化存储着色器；
- 设置变换管线使用两个矩阵堆栈（模型视图矩阵、投影矩阵）；
- 设置图元装配方式；
四、RenderScene函数
- 清除窗口和深度缓存区；
- 模型视图矩阵push一个单元矩阵（栈中存在两个单元矩阵，其主要是为了绘制完成还原矩阵）；
- 用cameraFrame生成观察者矩阵；
- 用栈顶单元矩阵与观察者矩阵相乘，生成新的观察者矩阵，然后将其压栈；
- 用objectFrame构建物体矩阵；
- 用栈顶单元矩阵与物体矩阵相乘，生成模型视图矩阵，然后将其压栈；
- 设置着色器类型，然后绘制图元；绘制完毕之后，还原矩阵，交换缓冲区；
五、KeyPressFunc 空格点击函数和SpecialKeys 函数的处理；
具体代码实现
- 需要用到的工具类，已做详细的注释说明：
// GLTool.h头⽂文件包含了大部分GLTool中类似C语言的独立函数
#include "GLTools.h"
// 矩阵的⼯具类.可以利于GLMatrixStack 加载单元矩阵/矩阵/矩阵相乘/压栈/出栈/缩放/平移/旋转
#include "GLMatrixStack.h"
// 矩阵工具类,表示位置.通过设置vOrigin,vForward,vUps等
#include "GLFrame.h"
// 矩阵⼯具类,⽤来快速设置正/透视投影矩阵.完成坐标从3D->2D的映射过程
#include "GLFrustum.h"
// 三⻆形批次类,帮助类,利用它可以传输顶点/光照/纹理/颜⾊数据到存储着⾊器中
#include "GLBatch.h"
// 变换管道类,⽤来快速在代码中传输视图矩阵/投影矩阵/视图投影变换矩阵等
#include "GLGeometryTransform.h"
// 在Mac 系统下，`#include`在Windows 和 Linux上，我们使用freeglut的静态库版本并且需要添加一个宏
#include - 定义全局变量：
/*
GLMatrixStack 变化管线使用矩阵堆栈
GLMatrixStack 构造函数允许指定堆栈的最大深度、默认的堆栈深度为64.这个矩阵堆在初始化时已经在堆栈中包含了单位矩阵。
GLMatrixStack::GLMatrixStack(int iStackDepth = 64);
//通过调用顶部载入这个单位矩阵
void GLMatrixStack::LoadIndentiy(void);
//在堆栈顶部载入任何矩阵
void GLMatrixStack::LoadMatrix(const M3DMatrix44f m);
*/
GLShaderManager shaderManager; // 固定管线管理器
GLMatrixStack modelViewMatrix; // 模型视图矩阵(变换)
GLMatrixStack projectionMatrix; // 投影矩阵
GLFrame cameraFrame; // 观察者位置
GLFrame objectFrame; // 世界坐标位置
GLFrustum viewFrustum; // 投影矩阵
GLGeometryTransform transformPipeline; // 几何变换的管道
// 不同的图元对应容器对象
GLBatch triangleBatch;
GLBatch triangleStripBatch;
GLBatch triangleFanBatch;
GLfloat vGreen[] = {
1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};// 图元面颜色
GLfloat vBlack[] = {
0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};// 图元棱颜色
// 跟踪控制效果步骤
int stepNumber = 0;
- main函数
int main(int argc ,char *argv[]) {
gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
glutInit(&argc, argv);
/*
初始化双缓冲窗口，其中标志GLUT_DOUBLE、GLUT_RGBA、GLUT_DEPTH、GLUT_STENCIL分别指双缓冲窗口、RGBA颜色模式、深度测试、模板缓冲区
--GLUT_DOUBLE`：双缓存窗口，是指绘图命令实际上是离屏缓存区执行的，然后迅速转换成窗口视图，这种方式，经常用来生成动画效果；
--GLUT_DEPTH`：标志将一个深度缓存区分配为显示的一部分，因此我们能够执行深度测试；
--GLUT_STENCIL`：确保我们也会有一个可用的模板缓存区。
*/
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
// 设置window的大小和名称
glutInitWindowSize(800, 600);
glutCreateWindow("四棱锥");
// 注册回调函数（window改变尺寸）
glutReshapeFunc(changeSize);
// 注册特殊键位函数（上下左右）
glutSpecialFunc(specialKeys);
// 注册键盘普通键位的调用函数
glutKeyboardFunc(keyPressFunc);
// 显示函数
glutDisplayFunc(renderScene);
// 判断是否能初始化glew库，确保项目能正常使用OpenGL框架；在视图做任何渲染之前，要检查确定驱动程序的初始化过程中没有任何问题
GLenum statue = glewInit();
if (GLEW_OK != statue) {
printf("GLEW Error:%s\n",glewGetErrorString(statue));
return 1;
}
// 设置渲染环境
setupRC();
glutMainLoop();
return 0;
}
- changeSize (int w, int h) 重塑函数
// 窗口刚刚创建或者已更改大小，都需要使用窗口维度设置视口和投影矩阵
void changeSize(int w, int h) {
// 设置视口
glViewport(0, 0, w, h);
// 设置投影矩阵，载入投影矩阵堆栈中
// fFov：从顶点方向看去的视场角度（用角度值表示）
// fAspect：宽和高的纵横比（w/h）
// fNear
// fFar
viewFrustum.SetPerspective(40.0f, float(w)/float(h), 1.f, 500.f);
// 往投影矩阵堆栈projectionMatrix里加载一个矩阵，从视景体viewFrustum里获取投影矩阵GetProjectionMatrix(）
projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
// 模型视图矩阵是用来旋转、平移等操作的，并没有变化，所以只需要加载一个单元矩阵；
modelViewMatrix.LoadIdentity();
}
- KeyPressFunc 点击空格函数
// 点击“空格”处理：根据点击空格的次数，切换不同的”窗口名称“，重新渲染
void keyPressFunc(unsigned char key, int x, int y) {
if (key == 32) {
stepNumber += 1;
if (stepNumber > 2) {
stepNumber = 0;
}
}
switch (stepNumber) {
case 0:
glutSetWindowTitle("四棱锥");
break;
case 1:
glutSetWindowTitle("圆环");
break;
case 2:
glutSetWindowTitle("三角形扇");
break;
default:
glutSetWindowTitle("");
break;
}
glutPostRedisplay();
}
- SpecialKeys 函数
// 特殊键位的逻辑处理（上、下、左、右）
void specialKeys(int key, int x, int y) {
// objectFrame记录旋转的物体
if (key == GLUT_KEY_UP) {
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.f, 0.f, 0.f);
}
if (key == GLUT_KEY_DOWN) {
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 1.f, 0.f, 0.f);
}
if (key == GLUT_KEY_LEFT) {
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 0.f, 1.0f, 0.f);
}
if (key == GLUT_KEY_RIGHT) {
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 0.f, 1.0f, 0.f);
}
glutPostRedisplay();
}
- SetupRC() 函数
void setupRC() {
// 设置窗口背景色
glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
shaderManager.InitializeStockShaders();
// 设置变换管线两个矩阵堆栈（模型视图矩阵、投影矩阵）
transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
// 修改观察者的位置
cameraFrame.MoveForward(-20.f);
/*
常见函数：
void GLBatch::Begin(GLenum primitive,GLuint nVerts,GLuint nTextureUnits = 0);
参数1：表示使用的图元
参数2：顶点数
参数3：纹理坐标（可选）
* 复制顶点坐标
void GLBatch::CopyVertexData3f(GLFloat *vNorms);
* 结束，表示已经完成数据复制工作
void GLBatch::End(void);
*/
// 绘制"四棱锥"
GLfloat vPyramid[12][3] = {
-2.0f, 0.0f, -2.0f,
2.0f, 0.0f, -2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
2.0f, 0.0f, -2.0f,
2.0f, 0.0f, 2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
2.0f, 0.0f, 2.0f,
-2.0f, 0.0f, 2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
-2.0f, 0.0f, 2.0f,
-2.0f, 0.0f, -2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f
};
triangleBatch.Begin(GL_TRIANGLES, 12);
triangleBatch.CopyVertexData3f(vPyramid);
triangleBatch.End();
// 绘制“三角形扇”
GLfloat vPoints[100][3];
int nVerts = 0;
GLfloat r = 3.0f;
vPoints[nVerts][0] = 0.0f;
vPoints[nVerts][1] = 0.0f;
vPoints[nVerts][2] = 0.0f;
// M3D_2PI 就是2Pi，绘制圆形
for(GLfloat angle = 0; angle < M3D_2PI; angle += M3D_2PI / 6.0f) {
//数组下标自增（每自增1次就表示一个顶点）
nVerts++;
/*
弧长=半径*角度,这里的角度是弧度制,不是平时的角度制
既然知道了cos值,那么角度=arccos,求一个反三角函数就行了
*/
//x点坐标 cos(angle) * 半径
vPoints[nVerts][0] = float(cos(angle)) * r;
//y点坐标 sin(angle) * 半径
vPoints[nVerts][1] = float(sin(angle)) * r;
//z点的坐标
vPoints[nVerts][2] = -0.5f;
}
// 结束扇形，一共绘制7个顶点（包括圆心，然后添加闭合的终点
nVerts++;
vPoints[nVerts][0] = r;
vPoints[nVerts][1] = 0;
vPoints[nVerts][2] = 0.0f;
// 加载：GL_TRIANGLE_FAN 以一个圆心为中心呈扇形排列，共用相邻顶点的一组三角形
triangleFanBatch.Begin(GL_TRIANGLE_FAN, 8);
triangleFanBatch.CopyVertexData3f(vPoints);
triangleFanBatch.End();
// "圆环"：三角形条带，一个小环或圆柱段
int iCounter = 0;
GLfloat radius = 3.0f;
// 从0度~360度，以0.3弧度为步长
for(GLfloat angle = 0.0f; angle <= (2.0f*M3D_PI); angle += 0.3f) {
// 获取圆形的顶点的X,Y
GLfloat x = radius * sin(angle);
GLfloat y = radius * cos(angle);
// 绘制2个三角形（他们的x,y顶点一样，只是z点不一样）
vPoints[iCounter][0] = x;
vPoints[iCounter][1] = y;
vPoints[iCounter][2] = -0.5;
iCounter++;
vPoints[iCounter][0] = x;
vPoints[iCounter][1] = y;
vPoints[iCounter][2] = 0.5;
iCounter++;
}
// 关闭循环，结束循环，在循环位置生成2个三角形
vPoints[iCounter][0] = vPoints[0][0];
vPoints[iCounter][1] = vPoints[0][1];
vPoints[iCounter][2] = -0.5;
iCounter++;
vPoints[iCounter][0] = vPoints[1][0];
vPoints[iCounter][1] = vPoints[1][1];
vPoints[iCounter][2] = 0.5;
iCounter++;
// GL_TRIANGLE_STRIP 共用一个条带（strip）上的顶点的一组三角形
triangleStripBatch.Begin(GL_TRIANGLE_STRIP, iCounter);
triangleStripBatch.CopyVertexData3f(vPoints);
triangleStripBatch.End();
}
- RenderScene()显示函数：将模型视图矩阵和投影矩阵放到变换管道中，变换管道的作用是能帮助快速进行矩阵相乘，在函数中可以直接通过变换管道的Get方法得到相应的矩阵（GetNormalMatrix()（法线矩阵），GetProjectionMatrix()（投影矩阵），GetModelViewMatrix()（模型视图矩阵），GetModelViewProjectionMatrix()（模型视图投影矩阵））
// 场景绘制
void renderScene() {
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
modelViewMatrix.PushMatrix();
// 观察者矩阵
M3DMatrix44f mCamera;
cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);
// 矩阵相乘，放入模型视图矩阵
modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
// 物体矩阵
M3DMatrix44f mObjectFrame;
// 只要使用GetMatrix函数就可以获取矩阵堆栈顶部的值，这个函数可以进行2次重载。
// 用来使用GLShaderManager的使用。或者是获取顶部矩阵的顶点副本数据
objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
// 矩阵相乘堆栈的顶部矩阵，相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
// GetNormalMatrix()（法线矩阵），GetProjectionMatrix()（投影矩阵），GetModelViewMatrix()（模型视图矩阵），GetModelViewProjectionMatrix()（模型视图投影矩阵）
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
switch (stepNumber) {
case 0:
DrawWireFramedBatch(&triangleBatch);
break;
case 1:
DrawWireFramedBatch(&triangleStripBatch);
break;
case 2:
DrawWireFramedBatch(&triangleFanBatch);
break;
default:
break;
}
// 还原到以前的模型视图矩阵（单位矩阵）
modelViewMatrix.PopMatrix();
// 进行缓冲区交换
glutSwapBuffers();
}
- DrawWireFramedBatch(GLBatch* pBatch) 主要是绘制图元中的红色部分：
void DrawWireFramedBatch(GLBatch* pBatch) {
/*------------画红色部分----------------*/
/* GLShaderManager 中的Uniform 值——平面着色器
参数1：平面着色器
参数2：运行为几何图形变换指定一个 4 * 4变换矩阵
--transformPipeline 变换管线（指定了2个矩阵堆栈）
参数3：颜色值
*/
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vGreen);
pBatch->Draw();
/*-----------边框部分-------------------*/
/*
glEnable(GLenum mode); 用于启用各种功能。功能由参数决定
参数列表：http://blog.csdn.net/augusdi/article/details/23747081
注意：glEnable() 不能写在glBegin() 和 glEnd()中间
GL_POLYGON_OFFSET_LINE 根据函数glPolygonOffset的设置，启用线的深度偏移
GL_LINE_SMOOTH 执行后，过虑线点的锯齿
GL_BLEND 启用颜色混合。例如实现半透明效果
GL_DEPTH_TEST 启用深度测试 根据坐标的远近自动隐藏被遮住的图形（材料
glDisable(GLenum mode); 用于关闭指定的功能 功能由参数决定
*/
// 画黑色边框
glPolygonOffset(-1.0f, -1.0f);// 偏移深度，在同一位置要绘制填充和边线，会产生z冲突，所以要偏移
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
// 画反锯齿，让黑边好看些
glEnable(GL_LINE_SMOOTH);
glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
// 绘制线框几何黑色版 三种模式，实心，边框，点，可以作用在正面，背面，或者两面
// 通过调用glPolygonMode将多边形正面或者背面设为线框模式，实现线框渲染
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
//设置线条宽度
glLineWidth(2.5f);
/* GLShaderManager 中的Uniform 值——平面着色器
参数1：平面着色器
参数2：运行为几何图形变换指定一个 4 * 4变换矩阵
--transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix() 获取的
GetMatrix函数就可以获得矩阵堆栈顶部的值
参数3：颜色值（黑色）
*/
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
pBatch->Draw();
// 复原原本的设置
// 通过调用glPolygonMode将多边形正面或者背面设为全部填充模式
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
glLineWidth(1.0f);
glDisable(GL_BLEND);
glDisable(GL_LINE_SMOOTH);
}
效果展示
- 点击空格键切换图元的切换显示，点击方向键则可以控制图元的旋转；
矩阵堆栈
- 在发生任何变化，调用glutPostRedisplay()方法时，会调用 RenderScene() 这个函数。从上面的renderScene()代码中我们可以看到有这么一段代码，这是一个什么操作呢？
modelViewMatrix.PushMatrix();
// 观察者矩阵
M3DMatrix44f mCamera;
cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);
// 矩阵相乘，放入模型视图矩阵
modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
// 物体矩阵
M3DMatrix44f mObjectFrame;
// 只要使用GetMatrix函数就可以获取矩阵堆栈顶部的值，这个函数可以进行2次重载。
// 用来使用GLShaderManager的使用，或者是获取顶部矩阵的顶点副本数据
objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
........... // 绘制图元
// 还原到以前的模型视图矩阵（单位矩阵）
modelViewMatrix.PopMatrix();
// 进行缓冲区交换
glutSwapBuffers();
- modelViewMatrix.PushMatrix():就是压栈，如果 PushMatix() 括号里是空的，就代表是把栈顶的矩阵复制一份，再压栈到它的顶部。如果不是空的，比如是括号里是单元矩阵，那么就代表压入一个单元矩阵到栈顶了。
- 矩阵相乘 MultMatrix(mObjectFrame)：把模型视图矩阵堆栈的栈 的矩阵copy出一份来和新矩阵进行矩阵相乘，然后再将相乘的结果赋值给栈顶的矩阵；
- 出栈modelViewMatrix.PopMatrix()：把栈顶的矩阵出栈，恢复为原始的矩阵堆栈；
- cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera) ：从 cameraFrame 这个观察者坐标系中获取矩阵，然后赋值给 mCamera。同理的还有获取世界坐标位置的矩阵objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame)。
- 矩阵堆栈的操作示意流程图如下：入栈，是为了保存当前的矩阵栈状态；出栈，是为了恢复入栈前的矩阵栈状态。
完整代码和具体逻辑传送门：OpenGL之矩阵堆栈绘制立体图元。