Windows95/NT下OpenGL编程原理

西安交通大学9693信箱蔡茂

----科学计算可视化，计算机动画和虚拟现实是现在计算机图形学的三个热点。而这三个热点的核心都是三维真实感图形的绘制。由于OpenGL（OpenGraphicsLibrary）具有跨平台性、简便、高效、功能完善，目前已经成为了三维图形制作方法中事实上的工业标准。自从WindowsNT3.51在微机平台上支持OpenGL以后，现在微软公司在Windows95OSR2、WindowsNT4.0中连续性的提供OpenGL开发环境。VisualC++从4.2版本以后已经完全支持OpenGL　API，使三维世界的"平民化"已成为必然。

----Windows操作系统对OpenGL的支持

----具有Windows编程经验的人都知道，在Windows下用GDI作图必须通过设备上下文（DeviceContext简写DC）调用相应的函数；用OpenGL作图也是类似，OpenGL函数是通过"渲染上下文"（RenderingContext简写RC）完成三维图形的绘制。Windows下的窗口和设备上下文支持"位图格式"（PIXELFORMAT）属性，和ＲＣ有着位图结构上的一致。只要在创建ＲＣ时与一个ＤＣ建立联系（ＲＣ也只能通过已经建立了位图格式的ＤＣ来创建），OpenGL的函数就可以通过ＲＣ对应的ＤＣ画到相应的显示设备上。这里还有以下需要注意的方面：

----1.一个线程只能拥有一个渲染上下文（ＲＣ），也就是说，用户如果在一个线程内对不同设备作图，只能通过更换与ＲＣ对应的ＤＣ来完成，而ＲＣ在线程中保持不变。（当然，删除旧的ＲＣ后再创建新的是可以的）与此对应，一个ＲＣ也只能属于一个线程，不能被不同线程同时共享。

----2.设定DC位图格式等于设定了相应的窗口的位图格式，并且ＤＣ和窗口的位图格式一旦确定就不能再改变。这一点只能期望以后的Windows版本改进了。

----3.一个ＲＣ虽然可以更换DC，在任何时刻只能利用一个ＤＣ（这个DC称为RC的当前DC），但由于一个窗口可以让多个ＤＣ作图从而可以让多个线程利用多个ＲＣ在该窗口上执行OpenGL操作。

----4.现在的Windows下的OpenGL版本对OpenGL和GDI在同一个DC上作图有一定的限制。当使用双缓存用OpenGL产生动画时，不能使用GDI函数向该DC作图。

----5.不建议用ＡＮＳＩＣ在Windows下编写OpenGL程序。这样的程序虽然具有跨平台的可移植性（比如很多ＳＧＩ的例子程序），但是它们不能利用Windows操作系统的很多特性，实用价值不大。

----用ＶＣ来编写OpenGL程序

----经过上面的分析，用ＶＣ来调用OpenGL作图的方法就很显然了。步骤如下：

----1.先设置显示设备ＤＣ的位图格式（PIXELFORMAT）属性。这通过填充一个PIXELFORMATDESCRIPTOR的结构来完成（关于PIXELFORMATDESCRIPTOR中各项数据的意义，请参照ＶＣ的帮助信息），该结构决定了OpenGL作图的物理设备的属性，比如该结构中的数据项dwFlags中PFD_DOUBLEBUFFER位如果没有设置（置１），通过该设备的ＤＣ上作图的OpenGL命令就不可能使用双缓冲来做动画。有一些位图格式（PIXELFORMAT）是DC支持的，而有一些DC就不支持了。所以程序必须先用ChoosePixelFormat来选择DC所支持的与指定位图格式最接近的位图格式，然后用SetPixelFormat设置DC的位图格式。

----2.利用刚才的设备ＤＣ建立渲染上下文ＲＣ（wglCreateContext），使得RC与DC建立联系（wglMakeCurrent）。

----3.调用OpenGL函数作图。由于线程与ＲＣ一一对应，OpenGL函数的参数中都不指明本线程ＲＣ的句柄（handle）

----4.作图完毕以后，先通过置当前线程的ＲＣ为NULL（::wglMakeCurrent(NULL,NULL);），断开当前线程和该渲染上下文的联系，由此断开与ＤＣ的联系。此时RC句柄的有效性在微软自己的文档中也没有讲清楚，所以在后面删除RC的时候要先判断以下RC句柄的有效性（if(m_hrc)::wglDeleteContext(m_hrc);）。再根据情况释放（ReleaseDC）或者删除（DeleteDC）ＤＣ

----所附程序说明

----所附的程序用ＭＦＣ完成了一个简单的OpenGL作图，用OpenGL的辅助库画了一个有光照的实心圆球。OpenGL本身的函数这里就不解释了，仅对用MFC编OpenGL时需要注意的内容做一个简要的说明：

----1.一旦设定了一个DC的位图格式，该DC所联系的窗口的位图格式随之设定。该窗口若含有子窗口或者有兄弟窗口，这些兄弟/子窗口的位图格式没有设成与对应RC一致的格式，OpenGL在它们上面作图就容易出错。故而OpenGL作图的窗口必须具有WS_CLIPCHILDREN和WS_CLIPSIBLINGS风格，程序中在主框窗的构造函数中用LoadFrame(IDR_MAINFRAME,WS_OVERLAPPEDWINDOW|WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS,NULL,NULL);指定了主窗口的风格。

----2.在ANSIC的OpenGL编程中，由auxReshapeFunc定义设置OpenGL视口大小和作图尺寸的回调函数。在MFC中应该由WM_SIZ消息的处理函数来完成。在ANSIC的OpenGL编程中，由EauxMainLoop定义作图的回调函数。在MFC中应该由WM_PAINT消息的处理函数来处理。相应的，由OpenGL定义的键盘、鼠标处理函数都应该由相应的Windows处理函数来响应。

----3.OpenGL自己有刷新背景的函数glClear，故而应禁止Windows刷新窗口背景。否则，当窗口需要重画时，Windows会自动先发送WM_ERASEBKGND，而缺省的处理函数使用白色的背景刷。当OpenGL使用的背景颜色不是白色时，作图时有一帧白色的闪烁。这种现象在做动画时特别明显。程序中只需要在WM_ERASEBKGND的消息处理函数中禁止父窗口类的消息处理，简单的返回一个TRUE即可。

----4.由于OpenGL的跨平台性，它必须用操作系统的调色板。所以如果GL_INDEX_MODE作图时，必须用VC自己定义调色板。不过一般情况下，用GL_RGBA_MODE模式比较方便，很少用到GL_INDEX_MODE模式。

----5.在OpenGL作图期间，RC对应的DC不能删除或者释放。

----6.由于OpenGL作图时需要长时间占用DC，所以最好把作图窗口类设成CS_OWNDC。MFC缺省的窗口类风格中没有设这一属性，程序中在主窗口C++类的PreCreateWindow方法中自己注册了一个窗口类，除了设定了CS_OWNDC属性以外，还设定了CS_HREDRAW、CS_VREDRAW和CS_SAVEBITS。设定CS_HREDRAW、CS_VREDRAW是为了让窗口缩放时产生WM_PAINT消息，修正OpenGL视口和作图尺寸；由于OpenGL作图需要很多计算，设定CS_SAVEBITS是为了在OpenGL窗口被遮盖后显现出来时，不产生WM_PAINT消息，用内存存储的图象来填充，从而用空间消耗换取计算时间。

----7.本程序中没有对OpenGL函数的出错情况作出处理。OpenGL出错后返回错误码，不会抛出异常；而且在某一个函数出错以后，后继函数也一般不会出现异常，只是返回错误码，一不小心就可能忽略某些错误。而对每一个OpenGL函数都做出错与否的判断比较麻烦，所以编程序时对OpenGL的函数应当非常小心。

----参考书籍：
----《OpenGLProgrammer'sGuide》SGIinc.
----《OpenGL三维图形程序设计》廖朵朵、张华军著，星球地图出版社
----《VisualC++5.0联机帮助》

----附程序：

----程序运行时必须确定OpenGL32.dll、glu.dll、glaux.dll在Windows的System目录下。如果找不到这些文件，可以从Windows95OSR2的机器上面将这些文件拷贝过来即可。OpenGL运行不需要注册库信息。在VC的STUDIO中运行程序时，工程文件中必须加入OpenGL.H、glu.h、glaux.h以及OpenGL.lib、glu.lib、glaux.lib，这些文件由VC自带。

----主窗口类定义（OpenGLWnd.h）：
#if !defined(AFX_OPENGLWND_H__3FB1AB28_0E70
_11D2_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_)
#define AFX_OPENGLWND_H__3FB1AB28_0E70_11D2
_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_

#if _MSC_VER >= 1000
#pragma once
#endif // _MSC_VER >= 1000

#include < afxwin.h >
#include "SimpleGLApp.h"
#include "resource.h"
// OpenGLWnd.h : header file
//
///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////
// COpenGLWnd frame

class COpenGLWnd : public CFrameWnd
{
 DECLARE_DYNCREATE(COpenGLWnd)
public:
 COpenGLWnd(); 
// protected constructor used by dynamic creation
protected:
 HGLRC     m_hrc;
 CClientDC    *m_pDC;
// Attributes
public:

// Operations
public:

// Overrides
 // ClassWizard generated virtual function overrides
 //{{AFX_VIRTUAL(COpenGLWnd)
 protected:
 virtual BOOL PreCreateWindow(CREATESTRUCT& cs);
 //}}AFX_VIRTUAL

// Implementation
public:
 virtual ~COpenGLWnd();

 // Generated message map functions
 //{{AFX_MSG(COpenGLWnd)
 afx_msg int OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct);
 afx_msg void OnSize(UINT nType, int cx, int cy);
 afx_msg void OnDestroy();
 afx_msg BOOL OnEraseBkgnd(CDC* pDC);
 afx_msg void OnPaint();
 //}}AFX_MSG
 DECLARE_MESSAGE_MAP()
};

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////

//{{AFX_INSERT_LOCATION}}
// Microsoft Developer Studio will insert
additional declarations immediately before the previous line.

#endif // !defined(AFX_OPENGLWND_H__3FB1AB28_
0E70_11D2_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_)
主窗口类的实现（OpenGLWnd.cpp）：
// OpenGLWnd.cpp : implementation file
//

#include "stdafx.h"
#include "OpenGLWnd.h"
#include "SimpleGLApp.h"
#include "gl/glu.h"
#include "gl/gl.h"
#include "gl/glaux.h"

#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[] = __FILE__;
#endif

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////
// COpenGLWnd

IMPLEMENT_DYNCREATE(COpenGLWnd, CFrameWnd)

COpenGLWnd::COpenGLWnd()
{
 m_pDC = NULL;
 m_hrc = 0;
 LoadFrame(IDR_MAINFRAME,WS_OVERLAPPEDWINDOW
 | WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS
  ,NULL,NULL );
}

COpenGLWnd::~COpenGLWnd()
{
}

BEGIN_MESSAGE_MAP(COpenGLWnd, CFrameWnd)
 //{{AFX_MSG_MAP(COpenGLWnd)
 ON_WM_CREATE()
 ON_WM_SIZE()
 ON_WM_DESTROY()
 ON_WM_ERASEBKGND()
 ON_WM_PAINT()
 //}}AFX_MSG_MAP
END_MESSAGE_MAP()

 

BOOL COpenGLWnd::PreCreateWindow(CREATESTRUCT& cs)
{
 // TODO: Add your specialized
 code here and/or call the base class
cs.lpszClass = AfxRegisterWndClass( CS_DBLCLKS |
     CS_HREDRAW |
     CS_VREDRAW |
     CS_SAVEBITS |
     CS_NOCLOSE |
                                   CS_OWNDC
     ,AfxGetApp( )-> LoadStandardCursor(IDC_ARROW), 0 ,
                                       AfxGetApp( )- >LoadStandardIcon(IDI_APPLICATION));
 return CFrameWnd::PreCreateWindow(cs);
}

int COpenGLWnd::OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct)
{
    if (CFrameWnd::OnCreate(lpCreateStruct) == -1)
  return -1;
 
    int pixelformat;

    m_pDC = new CClientDC(this);//在客户区作图
 ASSERT(m_pDC != NULL);

 static PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd =
 {
        sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR),  //固定值
        1,                              //固定值
        PFD_DRAW_TO_WINDOW |            // support window
        PFD_SUPPORT_OPENGL |            // support OpenGL
        PFD_TYPE_RGBA,                  // RGBA模式，不用调色板
        16,                             //程序在16位色彩下运行
        0, 0, 0, 0, 0, 0,               // color bits ignored
        0,                              // no alpha buffer
        0,                              // shift bit ignored
        0,                              // no accumulation buffer
        0, 0, 0, 0,                     // accum bits ignored
        32,                             // 32-bit z-buffer
        0,                              // no stencil buffer
        0,                              // no auxiliary buffer
        PFD_MAIN_PLANE,                 // main layer
        0,                              // reserved
        0, 0, 0                         // layer masks ignored
    };

if ( (pixelformat = ChoosePixelFormat(m_pDC- >GetSafeHdc(), &pfd)) == 0 )
    {
        MessageBox("在该DC上找不到与PFD接近的位图结构");
        return -1;
    }

if (SetPixelFormat(m_pDC- >
GetSafeHdc(), pixelformat, &pfd) == FALSE)
    {
        MessageBox("无法在该DC上设置位图结构");
        return -1;
    }
    m_hrc = wglCreateContext(m_pDC- >GetSafeHdc());
    wglMakeCurrent(m_pDC- >GetSafeHdc(), m_hrc);
 
    glClearDepth(1.0f);
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);

    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
 
 return 0;//OpenGL窗口构造成功
}

void COpenGLWnd::OnSize(UINT nType, int cx, int cy)
{
 CFrameWnd::OnSize(nType, cx, cy);
 
 // TODO: Add your message handler code here
    if(cy > 0)
    {   
        glViewport(0, 0, cx, cy);
        glMatrixMode(GL_PROJECTION);
        glLoadIdentity();
  if (cx < = cy)
    glOrtho(-3.0,3.0,-3.0 * (GLfloat)cx/(GLfloat)cy,
  3.0 * (GLfloat)cx/(GLfloat)cy,-3.0,3.0);
  else
 glOrtho(-3.0,3.0,-3.0 * (GLfloat)cy/(GLfloat)cx,
  3.0 * (GLfloat)cy/(GLfloat)cx,-3.0,3.0);
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    }
}

void COpenGLWnd::OnDestroy()
{

 CFrameWnd::OnDestroy();
        ::wglMakeCurrent(NULL,  NULL);
        if (m_hrc)
         ::wglDeleteContext(m_hrc);
 if (m_pDC)
         delete m_pDC;
 // TODO: Add your message handler code here
}

BOOL COpenGLWnd::OnEraseBkgnd(CDC* pDC)
{
 // TODO: Add your message  handler code here and/or call default
 return TRUE;
 //return CFrameWnd::OnEraseBkgnd(pDC);
}

void COpenGLWnd::OnPaint()
{
 CPaintDC dc(this); // device context for painting

 GLfloat light_position[]={2.0f,0.0f,4.0f,0.0f};
 
 // TODO: Add your message handler code here

        glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

        glPushMatrix();

        glTranslatef(0.0f, 0.0f, -2.0f);
  glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
  glEnable(GL_LIGHTING);
  glEnable(GL_LIGHT0);
  glDepthFunc(GL_LESS);
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  auxSolidSphere(1.0);

        glPopMatrix();
  
        glFinish();

 // Do not call CFrameWnd::OnPaint() for painting messages
}
应用程序类的定义（SimpleGLApp.h）：
#if !defined(AFX_SIMPLEGLAPP_H__3FB1AB29
_0E70_11D2_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_)
#define AFX_SIMPLEGLAPP_H__3FB1AB29_0E70
_11D2_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_

#if _MSC_VER >= 1000
#pragma once
#endif // _MSC_VER >= 1000
// SimpleGLApp.h : header file
//
#include < afxwin.h >
#include "OpenGLWnd.h"
#include "resource.h"

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////
// CSimpleGLApp thread

class CSimpleGLApp : public CWinApp
{
 DECLARE_DYNCREATE(CSimpleGLApp)
public:
 CSimpleGLApp();
   // protected constructor used by dynamic creation

// Attributes
public:

// Operations
public:

// Overrides
 // ClassWizard generated virtual function overrides
 //{{AFX_VIRTUAL(CSimpleGLApp)
 public:
 virtual BOOL InitInstance();
 virtual int ExitInstance();
 //}}AFX_VIRTUAL

// Implementation
public:
 virtual ~CSimpleGLApp();

 // Generated message map functions
 //{{AFX_MSG(CSimpleGLApp)
 afx_msg void OnAppExit();
 //}}AFX_MSG

 DECLARE_MESSAGE_MAP()
};

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////

//{{AFX_INSERT_LOCATION}}
// Microsoft Developer Studio will insert
additional declarations
immediately before the previous line.

#endif // !defined(AFX_SIMPLEGLAPP_H__3FB1AB29_
0E70_11D2_9ACA_48543300E17D__INCLUDED_)
应用程序类的实现（SimpleGLApp.cpp）：
// SimpleGLApp.cpp : implementation file
//

#include "stdafx.h"
#include "SimpleGLApp.h"
#include "OpenGLWnd.h"

#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[] = __FILE__;
#endif

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////
// CSimpleGLApp

IMPLEMENT_DYNCREATE(CSimpleGLApp, CWinApp)

CSimpleGLApp::CSimpleGLApp()
{
}

CSimpleGLApp::~CSimpleGLApp()
{
}

BOOL CSimpleGLApp::InitInstance()
{
 // TODO:  perform and per-thread initialization here
 m_pMainWnd = new COpenGLWnd();
 m_pMainWnd- >ShowWindow(m_nCmdShow);
 m_pMainWnd- >UpdateWindow();
 return TRUE;
}

int CSimpleGLApp::ExitInstance()
{
 return CWinApp::ExitInstance();
}

BEGIN_MESSAGE_MAP(CSimpleGLApp, CWinApp)
 //{{AFX_MSG_MAP(CSimpleGLApp)
 ON_COMMAND(ID_APP_EXIT, OnAppExit)
 //}}AFX_MSG_MAP
END_MESSAGE_MAP()

///////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////
// CSimpleGLApp message handlers
void CSimpleGLApp::OnAppExit()
{
 // TODO: Add your command handler code here
 CWinApp::OnAppExit();
}

CSimpleGLApp SimpleGLApp;