Python pyglet 自制3D引擎入门(一) -- 绘制几何体、创建3D场景
Python作为目前较广泛的编程语言, 用于制作3D游戏可谓得心应手。本文讲解使用Python pyglet库绘制3D场景的入门。
下篇：Python pyglet 自制3D引擎入门(二) – 绘制立体心形、及相机控制
目录
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- 1.导入pyglet及相关模块
- 2.创建窗口
- 3.绘制正方体
- 4.相机控制
- 5.完整代码
- 6.总结
- 7.拓展: 绘制球体
1.导入pyglet及相关模块
pyglet.window部分用于实现窗口操作, pyglet.gl以及pyglet.gl.glu模块包含了OpenGL的绘图函数, 也是创建3D场景的关键。
pyglet模块可通过pip安装: pip install pyglet。
import pyglet
from pyglet.gl import * # 为方便使用, 导入opengl函数时建议使用import * 形式
from pyglet.gl.glu import *
from pyglet.window import key # 按键常量
import math
from random import random, randint
2.创建窗口
WIDTH=400;HEIGHT=400
window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH)
pyglet.app.run()
运行结果是出现了一个宽为400, 高为400的空白窗口。
3.绘制正方体
现在开始绘制基本的几何体。
glVertex3f(x, y, z)函数, 指定点、线段和多边形的顶点。3个参数分别是x, y, z坐标。通过多次调用这个函数, 就可以绘制出任何几何图形。glBegin(mode)和glEnd(): 绘制一段多边形、线段的开始和结束。开始一个绘制时调用glBegin(), 结束绘制时调用glEnd()。其中glBegin(mode)的参数mode可以设置填充等样式信息。glColor3f(r, g, b)函数可以设置图形颜色, r、g、b的范围是0-1。- 绘制完成后, 调用
glFlush()函数, 将绘制的图形显示在屏幕上。
@window.event
def on_draw(): # 注意函数名, 须是on_draw才绑定绘制的事件
# 这是创建3D绘图环境的代码
glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵
glLoadIdentity()
# 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小)
glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000)
glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵
glLoadIdentity()
glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT)
window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区
# 改变视角, 下文"相机控制"会介绍
gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0) # 相机始终朝着z轴正半轴方向看
# 绘制正方体的顶、底面
glColor3f(0.5,0.5,1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10,10,10)
glVertex3f(0,10,10)
glVertex3f(0,0,10)
glVertex3f(10,0,10)
glEnd()
glColor3f(0.5, 1, 0)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 0)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glEnd()
# 绘制4个侧面
glColor3f(1, 0.5, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 0, 10)
glVertex3f(0, 0, 10)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glEnd()
glColor3f(0.5, 1, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(10, 10, 0)
glEnd()
glColor3f(0.8, 0.5, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 10)
glVertex3f(10, 10, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 10)
glEnd()
glColor3f(1, 0.5, 0.5)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(0, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(0, 0, 10)
glEnd()
# 将绘制的图形显示在屏幕上
glFlush()
运行效果:
4.相机控制
这里, 用户按方向键后, 程序就能改变相机位置。
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gluLookAt(eyex, eyey, eyez, centerx, centery, centerz, upx, upy, upz)
第一组eyex, eyey,eyez 相机在世界坐标的位置
第二组centerx,centery,centerz 相机镜头对准的物体在世界坐标的位置
第三组upx,upy,upz 相机向上的方向在世界坐标中的方向你把相机想象成为你自己的脑袋：
第一组数据就是脑袋的位置
第二组数据就是眼睛看的物体的位置
第三组就是头顶朝向的方向（因为你可以歪着头看同一个物体） -
pyglet.window模块中的key对象包含了许多按键常量, 可以在程序中使用。
cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5
@window.event
def on_key_press(k,m): # 注意函数名称, 函数名在pyglet中有特别含义, 表示绑定哪个事件
global cam_x,cam_y,cam_z
if k==key.DOWN: # 下
cam_y-=1
elif k==key.UP:# 上
cam_y+=1
elif k==key.LEFT: # 左
cam_x-=1
elif k==key.RIGHT: # 右
cam_x+=1
elif k==key.PAGEUP: # page up
cam_z+=0.5
elif k==key.PAGEDOWN: # page down
cam_z-=0.5
on_draw() # 重新绘制
# on_draw中的代码
gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0)
你会发现, 相机始终朝着z轴正半轴一个方向看, 这是程序的缺陷, 作者将在下篇中讲解更灵活的相机控制方法。
5.完整代码
import pyglet
from pyglet.gl import *
from pyglet.gl.glu import *
from pyglet.window import key
WIDTH=400;HEIGHT=400
cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5
window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH)
@window.event
def on_draw(): # 注意函数名
glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵
glLoadIdentity()
# glEnable(GL_DEPTH_TEST)
# 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小)
glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000)
glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵
glLoadIdentity()
glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT)
window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区
# 改变相机位置和角度
gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0)
# 顶、底面
glColor3f(0.5,0.5,1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10,10,10)
glVertex3f(0,10,10)
glVertex3f(0,0,10)
glVertex3f(10,0,10)
glEnd()
glColor3f(0.5, 1, 0)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 0)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glEnd()
# 4个侧面
glColor3f(1, 0.5, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 0, 10)
glVertex3f(0, 0, 10)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glEnd()
glColor3f(0.5, 1, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(10, 10, 0)
glEnd()
glColor3f(0.8, 0.5, 1)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(10, 10, 10)
glVertex3f(10, 10, 0)
glVertex3f(10, 0, 0)
glVertex3f(10, 0, 10)
glEnd()
glColor3f(1, 0.5, 0.5)
glBegin(GL_POLYGON)
glVertex3f(0, 10, 10)
glVertex3f(0, 10, 0)
glVertex3f(0, 0, 0)
glVertex3f(0, 0, 10)
glEnd()
glFlush()
@window.event
def on_key_press(k,m): # 注意函数名称
global cam_x,cam_y,cam_z
if k==key.DOWN: # 下
cam_y-=1
elif k==key.UP:# 上
cam_y+=1
elif k==key.LEFT: # 左
cam_x-=1
elif k==key.RIGHT: # 右
cam_x+=1
elif k==key.PAGEUP: # page up
cam_z+=0.5
elif k==key.PAGEDOWN: # page down
cam_z-=0.5
on_draw()
glClearColor(1, 1, 1, 1)
glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 开启深度(z排序)
pyglet.app.run()
6.总结
前面介绍了pyglet的入门知识, 以及绘制3D场景的基础知识。重点函数如下:
glVertex3f(x, y, z): 指定点、线段和多边形的顶点。多次调用就可以绘制出几何图形。glBegin(mode)和glEnd(): 绘制一段图形的开始和结束。glBegin的mode参数可设置填充等样式。glColor3f(r, g, b): 设置图形颜色, r、g、b的范围是0-1。glFlush(): 刷新绘图缓存, 将绘制的图形显示在屏幕上。gluLookAt(): 改变相机位置和视角。
下篇：Python pyglet 自制3D引擎入门(二) – 绘制立体心形、及相机控制
7.拓展: 绘制球体
绘制球体比绘制正方体还要简单, 因为OpenGL已经内置了画球体功能。不过需要单独安装PyOpenGL这个模块。
(Windows下如果安装报错, 可以下载这个文件pan.baidu.com/s/1MRewIxe2FcLO-IWgG-5fuA?pwd=1ga2,
然后解压到Python解释器目录\Lib\site-packages\OpenGL这个目录下即可。)
注意: pyglet中的OpenGL函数似乎和pyopengl中的是一样的, 可以混用。
导入及初始化pyopengl模块:
from OpenGL.GLUT import *
glutInit()
使用下面的代码替换调用glVertex3f的代码即可。其中的x, y, z是球心坐标, r是球半径。两个40是绘制球的精度, 精度越高球的表面越光滑。
glPushMatrix()
glTranslatef(x+r, y+r, z+r)
glutSolidSphere(r,40,40)
glPopMatrix()
完整代码:
import pyglet
from pyglet.gl import *
from pyglet.gl.glu import *
from pyglet.window import key
from OpenGL.GLUT import *
WIDTH=400;HEIGHT=400
cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5
window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH)
@window.event
def on_draw(): # 注意函数名
glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵
glLoadIdentity()
# glEnable(GL_DEPTH_TEST)
# 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小)
glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000)
glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵
glLoadIdentity()
glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT)
window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区
# 改变相机位置和角度
gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0)
x=0;y=0;z=10;r=3
glColor3f(0,0.2,0.5)
glPushMatrix()
glTranslatef(x+r, y+r, z+r)
glutSolidSphere(r,40,40)
glPopMatrix()
glFlush()
@window.event
def on_key_press(k,m): # 注意函数名称
global cam_x,cam_y,cam_z
if k==key.DOWN: # 下
cam_y-=1
elif k==key.UP:# 上
cam_y+=1
elif k==key.LEFT: # 左
cam_x-=1
elif k==key.RIGHT: # 右
cam_x+=1
elif k==key.PAGEUP: # page up
cam_z+=0.5
elif k==key.PAGEDOWN: # page down
cam_z-=0.5
on_draw()
glutInit()
glClearColor(1, 1, 1, 1)
glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 开启深度(z排序)
pyglet.app.run()
运行效果:
下篇：Python pyglet 自制3D引擎入门(二) – 绘制立体心形、及相机控制
其他作者的3D程序, 见github.com/qfcy/Python/tree/main/opengl (打开速度慢的也可以用Gitcode)。