OpenGL植物建模（附完整代码、注释清晰、分步讲解）
目录
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- 1、成果
- 2、myInit初始化函数
- 3、加载纹理数据
- 4、打开光照和材质
- 5、显示列表封装绘制函数
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- 5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干
- 5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵
- 5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接
- 5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板
- 6、投影变换
- 7、封装树的绘制函数
- 8、键盘响应函数&照相机的移动
- 9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系
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1、成果
2、myInit初始化函数
该函数中是一个初始化环境的函数，负责开启深度测试、自动法向、加载纹理数据、调用光照函数、材质设置以及调用生成列表函数。
void myInit() {
glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
glDisable(GL_CULL_FACE);
//自动法向防止变形
glEnable(GL_NORMALIZE);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
//输入的深度值小于参考值，则通过
glDepthFunc(GL_LESS);
//纹理载入
……
//打开纹理
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
//调用打开光照函数
……
//调用设置材质函数
……
//调用显示列表函数
……
}
3、加载纹理数据
在myInit函数中设计for循环，依次图片路径数组读取图片，并依次加载进纹理数组中并分配编号，供后续贴图使用。每个编号均使用宏定义，更语义化。同时使用auxDIBImageLoad读取图片的宽高以及数据，不过VS2019中需要对图片路径字符转换为宽字符才能使用。
for (int i = 0; i < 9; i++) {
//生成纹理编号
glGenTextures(1, &ImagesIDs[i]);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[i]);
WCHAR wfilename[256];
memset(wfilename, 0, sizeof(wfilename));
//该函数映射一个字符串到一个宽字符（unicode）的字符串
MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, szFiles[i], strlen(szFiles[i]) + 1, wfilename, sizeof(wfilename) / sizeof(wfilename[0]));
Images[i] = auxDIBImageLoad(wfilename); //加载图片
//Images[i] = auxDIBImageLoadA(szFiles[i]);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, Images[i]->sizeX, Images[i]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, Images[i]->data);
//纹理被放大（一个纹元对应多个像素）
//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
//纹理被缩小（多个纹元对应一个像素）
//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
//纹理第一维坐标大于1小于0时，表现为裁剪
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
//纹理第二维坐标大于1小于0时，表现为裁剪
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);
//纹理环境
//直接使用纹理图片替换
glTexEnvf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
}
4、打开光照和材质
设置光照和材质的函数都比较常规。在光照函数mySetupLights中，要设置环境光为白色，同时光源的位置中，最后一个参数为0，这样的光就是平行的光，更能模拟自然的太阳。
//灯光参数
void mySetupLights() {
//环境光：白色的太阳光
GLfloat ambientLight[] = {
1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
//glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);
//光源的颜色与物体的颜色值相乘（叉乘）
GLfloat diffuseLight[] = {
0.9, 0.9, 0.9, 1.0 }; //散射光
//镜面光:白色
GLfloat specularLight[] = {
1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
//阳光，模拟平行,第四个参数为0.0，定义相应的光源是定向光源,光线几乎是互相平行
GLfloat posLight[] = {
0.0, 0.0, 0.0, 0.0 };
GLfloat local_view[] = {
0.0 };
//平滑模式
glShadeModel(GL_SMOOTH);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuseLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specularLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, posLight);
glEnable(GL_LIGHT0);
//镜面反射角度
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);
}
//材质相关函数
void myMaterial() {
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
//物体对各种光的强度
GLfloat mat_ambient[] = {
1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
GLfloat mat_diffuse[] = {
0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };
GLfloat mat_specular[] = {
1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
GLfloat env_ambient[] = {
0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };
GLfloat mat_shinness[] = {
50.0 };
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shinness);
//全局设置整个场景的环境光强度
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, env_ambient);
}
5、显示列表封装绘制函数
把绘制模型的函数，通过显示列表封装在myCreateList函数中，并提前在myInit函数中加载好，后续会在myTree函数中反复调用生成模型。每一个显示列表都用使用了glPushMatrix与glPopMatrix，这样所作变换操作就不会影响下一个变换，有些列表还使用了glPushAttrib与glPopAttrib，保证顶点处理时候的一些属性不影响后续顶点。
void myCreateList(void) {
//创建树干绘制显示列表
glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);
……
//保护现场，不污染其他绘制
glPushMatrix();
……
glPopMatrix();
//删除曲面
glEndList();
//创建花朵绘制显示列表，八个大部分
glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
//保护花朵的颜色等属性不污染其他绘制
glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);
……
glPopAttrib();
glPopMatrix();
glEndList();
//花朵和树干连接
glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);
……
glPopAttrib();
glPopMatrix();
glEndList();
//地板的显示列表
glNewList(LAND, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
……
glPopMatrix();
glEndList();
//天空盒的显示列表
glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
……
glPopMatrix();
glEndList();
}
5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干
通过gluNewQuadric函数可以绘制出底大顶小的圆柱体，但是需要注意的是默认绘制的圆柱轴与世界坐标系中z轴是平行的，如图8中的Ⅰ，所以在树干进行旋转变换（所有的模型变换都是基于局部坐标系）glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0)。这个时候树干在坐标系中效果为图8-Ⅲ、图8-Ⅳ。
图8 树干局部坐标系的变换
//创建树干绘制显示列表
glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);
//二次曲面
cylquad = gluNewQuadric();
//绑定纹理
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[0]);
//二次曲面绑定纹理
gluQuadricTexture(cylquad, GL_TRUE);
//保护现场
glPushMatrix();
//默认绘制的圆柱轴与z轴平行
glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0);
//绘制圆柱
gluCylinder(cylquad, 0.1, 0.08, 1.7, 10, 10);
glPopMatrix();
//删除曲面
gluDeleteQuadric(cylquad);
glEndList();
5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵
使用在线抠图网站，把模型描边（图9）扣出来。使用ppt，让坐标系图片与模型描边叠值（图10），人工读取花瓣特征坐标。为了贴图方便每一朵花瓣都切割为多个四边形，根据每片花瓣的长势，最少划分为2部分，最后划分为5部分。
//创建花朵绘制显示列表，八个大部分
glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
//保护花朵的颜色
glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[1]);
//粉色
glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);
glBegin(GL_QUADS); //part1-1
glTexCoord2f(0.0, 0.22); glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);
glTexCoord2f(0.6, 0.044); glVertex3f(0.30, -0.09, 0.0);
glTexCoord2f(0.8, 0.22); glVertex3f(0.44, 0.0, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(0.46, 0.19, 0.0);
glEnd();
glBegin(GL_QUADS); //part1-2
……
glEnd();
glBegin(GL_QUADS); //part2-1
……
glEnd();
//省略了很多，详情见工程文件
……
……
glBegin(GL_QUADS);//part8-5
……
glEnd();
glPopAttrib();
glPopMatrix();
glEndList();
图11 绘制的花朵
5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接
从这里开始就体现了glPushMatrix与glPopMatrix的作用。因为绘制树干与花朵都是各自的glPushMatrix与glPopMatrix中，则树干与花朵都是基于世界坐标系（0，0，0）建模。在封装花朵与树干的连接的时候，先绘制树干，然后进行glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0)把花朵的局部坐标系向y轴平移1.7个单位，这个时候花朵才是在树干头顶开始绘制。坐标系如图12、13、14。
//花朵和树干连接
glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);
glCallList(TRUNK);
glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);
glPushMatrix();
glRotatef(90, 0.0, 1.0, 0.0);
glRotatef(50, 1.0, 0.0, 0.0);
glCallList(FLOWER);
glPopMatrix();
glPushMatrix();
glRotatef(180, 0.0, 1.0, 0.0);
glRotatef(60, 1.0, 0.0, 0.0);
glCallList(FLOWER);
glPopMatrix();
glPopAttrib();
glPopMatrix();
glEndList();
图12花朵未平移图
图13 花朵平移后图
图14 花朵平移坐标系示意图
5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板
天空盒就是一个正六面体，然后按照顺序贴图。地板就是一块平行于世界坐标系的x0y面的正方形区域
//天空盒的显示列表
glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE); //天空背景
glPushMatrix();
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[3]);
/** 绘制背面 */
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
glEnd();
glPopMatrix();
/** 绘制前面 */
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[4]);
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
glEnd();
/** 绘制底面 */
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[5]);
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
glEnd();
/** 绘制顶面 */
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[6]);
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
glEnd();
/** 绘制左面 */
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[7]);
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
glEnd();
///** 绘制右面 */
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[8]);
glBegin(GL_QUADS);
/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
glEnd();
glEndList();
}
//地板的显示列表
glNewList(LAND, GL_COMPILE);
glPushMatrix();
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[2]);
glBegin(GL_QUADS);
glTexCoord2d(0.0, 0.0); glVertex3f(10, 0, 10);
glTexCoord2d(1.0, 0.0); glVertex3f(10, 0, -10);
glTexCoord2d(1.0, 1.0); glVertex3f(-10, 0, -10);
glTexCoord2d(0.0, 1.0); glVertex3f(-10, 0, 10);
glEnd();
glPopMatrix();
glEndList()
6、投影变换
gluPerspective函数2个功能：一是产生一个视锥体让平面的图形开始有立体感，在世界坐标系中的z轴上平移时候有近大远小的变化。另外一个就是窗口发生变化时候，计算新的窗口的宽高比进行重绘视口，这样保证图形不变形。同时注意，变换之后，一定要变换回模型坐标系，以便正确接下来的模型绘制与变换。
//防止窗口变形函数
void myOnReshape(int w, int h) {
WinWidth = w;
WinHeight = h;
glViewport(0, 0, w, h);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(60.0, (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1, 30.0);
//恢复为模型变换的矩阵，当然也可以写在myDisplay中
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
}
7、封装树的绘制函数
树的绘制函数是本次实验中建模的关键。 采用递归思想，对函数进行封装，先写好只有一个树干，一朵花的函数（图13）。通过反复调用该函数生成若干个枝条，在正确进行拼接，最终得到一颗完整的树。三个要点：
每段枝条都是生长在前一段枝条的末端
每段枝条比前一条细
花朵有大有小
if语句块决定递归的深度，以及正真的调用绘制。else语句块决定随机的模型变换矩阵，通过递归变换矩阵会随函数调用栈逐步相乘，最终起到逐步缩小枝条、缩小花朵、后一段枝条与前一段枝条的拼接的3大效果。
//生成树的函数
void myTree(int m) {
long savedseed;
//结束递归的标志
//数字越大，枝条越细，也越多
if (m == 8) {
glPushMatrix();
glRotatef(60.0 + myRand() * 120.0, 0.0, 1.0, 0.0);
//正真的开始绘制树枝和连接处
glCallList(FLOWERANDTRUNK);
glPopMatrix();
}else {
//这里面只是决定递归的层数
//调用树干
glCallList(TRUNK);
glPushMatrix();
//把局部坐标系移到木桩的顶部开始
glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);
//绘制的花都很大，都缩小点
glScalef(0.75, 0.75, 0.75);
//生成随机数
savedseed = rand();
//递归调用
glPushMatrix();
//随机绕y轴旋转，表现形式就是屏幕平面上旋转（左升右下）
glRotatef(10.0 + myRand() * 10.0, 0.0, 1.0, 0.0);
//随机绕z轴旋转，表现形式往屏幕外面旋转
glRotatef(20.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);
//结束递归调用
myTree(m + 1);
glPopMatrix();
//初始化新的随机数种子seed
srand(savedseed);
savedseed = rand();
//被包裹在最开始的push与pop中，缩放效果的到叠加
glPushMatrix();
//随机绕y轴旋转，表现形式就是屏幕平面上旋转（左升右下）
glRotatef(250.0 + myRand() * 80.0, 0.0, 1.0, 0.0);
glRotatef(60.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);
myTree(m + 1);
glPopMatrix();
//让随机数更随机一点
srand(savedseed);
savedseed = rand();
glPushMatrix();
glRotatef(180.0 + myRand() * 90.0, 0.0, 1.0, 0.0);
glRotatef(30.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);
myTree(m + 1);
glPopMatrix();
glPopMatrix();
}
}
8、键盘响应函数&照相机的移动
通过绑定键盘按键和变量，控制照相机在世界坐标系中的位置，达到移动效果。完成上面代码后，运行编译，发现绘制的树太高了，超出屏幕上方看不见了，这个时候使用glPushMatrix与glPopMatrix对树与地板在他们的局部坐标系中往y轴与z轴方向平移。使的树与地板相对世界坐标系或者投影坐标系中往下与往后移动，得以看到树的全貌。
//myDisplay中调用绘制函数
void myDisplay(void) {
//清除颜色缓冲和深度缓冲
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//摄像机位置
gluLookAt(g_LandR, g_UandD, g_Z, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
//绘制树的时候，打开光照
glEnable(GL_LIGHTING);
//只想让树平移，而不想影响天空盒
glPushMatrix();
//相对世界坐标系的左右，前后，上下
glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);
//绘制树
myTree(0);
//绘制土地
glCallList(LAND);
glPopMatrix();
glDisable(GL_LIGHTING); //绘制天空背景的时候，关闭光照
glCallList(SKYBOX);
//交换缓冲
glutSwapBuffers();
}
//键盘控制交互
void myKey(unsigned char key, int x, int y) {
switch (key) {
case 'w':
g_UandD += 0.1;
glutPostRedisplay();
break;
case 's':
g_UandD -= 0.1;
glutPostRedisplay();
break;
case 'a':
g_LandR -= 0.1;
glutPostRedisplay();
break;
case 'd':
g_LandR += 0.1;
glutPostRedisplay();
break;
case 'q':
g_Z += 0.1;
glutPostRedisplay();
break;
case 'e':
g_Z -= 0.1;
break;
default:
break;
}
//重要
myOnReshape(WinWidth,WinHeight);
glutPostRedisplay();
}
9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系
所有代码完成后，并注释myDisplay函数中的这条glTranslatef语句后。所有代码之后造成的坐标系为图15。注意这个图是从计算机屏幕右侧面绘制的
//只想让树平移，而不想影响天空盒
glPushMatrix();
//相对世界坐标系的左右，前后，上下
//glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);
//绘制树
myTree(0);
//绘制土地
glCallList(LAND);
glPopMatrix();
图15 建模后的坐标系与投影变换