OpenGL 编 程 原 理(转帖）

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（Open Graphics Library） 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Windows NT 3.51 在 微 机 平 台 上 支 持OpenGL 以 后， 现 在 微 软 公 司 在Windows 95 OSR2、Windows NT 4.0 中 连 续 性 的 提 供OpenGL 开 发 环 境。Visual C++ 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（Device Context 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"（Rendering Context 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 Ｒ Ｃ 有 着 位 图 结 构 上 的 一 致。 只 要 在 创 建 Ｒ Ｃ 时 与 一 个 Ｄ Ｃ 建 立 联 系（ Ｒ Ｃ 也 只 能 通 过 已 经 建 立 了 位 图 格 式 的 Ｄ Ｃ 来 创 建），OpenGL 的 函 数 就 可 以 通 过 Ｒ Ｃ 对 应 的 Ｄ Ｃ 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（ Ｒ Ｃ）， 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 Ｒ Ｃ 对 应 的 Ｄ Ｃ 来 完 成， 而 Ｒ Ｃ 在 线 程 中 保 持 不 变。（ 当 然， 删 除 旧 的 Ｒ Ｃ 后 再 创 建 新 的 是 可 以 的） 与 此 对 应， 一 个 Ｒ Ｃ 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 Ｄ Ｃ 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 Ｒ Ｃ 虽 然 可 以 更 换DC， 在 任 何 时 刻 只 能 利 用 一 个 Ｄ Ｃ（ 这 个DC 称 为RC 的 当 前DC）， 但 由 于 一 个 窗 口 可 以 让 多 个 Ｄ Ｃ 作 图 从 而 可 以 让 多 个 线 程 利 用 多 个 Ｒ Ｃ 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 Ａ Ｎ Ｓ Ｉ Ｃ 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 Ｓ Ｇ Ｉ 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 Ｖ Ｃ 来 编 写OpenGL 程 序
---- 经 过 上 面 的 分 析， 用 Ｖ Ｃ 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 Ｄ Ｃ 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 Ｖ Ｃ 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 Ｄ Ｃ 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 Ｄ Ｃ 建 立 渲 染 上 下 文 Ｒ Ｃ（wglCreateContext）， 使 得RC 与DC 建 立 联 系（wglMakeCurrent）。
---- 3. 调 用OpenGL 函 数 作 图。 由 于 线 程 与 Ｒ Ｃ 一 一 对 应，OpenGL 函 数 的 参 数 中 都 不 指 明 本 线 程 Ｒ Ｃ 的 句 柄（handle）
---- 4. 作 图 完 毕 以 后， 先 通 过 置 当 前 线 程 的 Ｒ Ｃ 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 Ｄ Ｃ 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） Ｄ Ｃ
---- 所 附 程 序 说 明
---- 所 附 的 程 序 用 Ｍ Ｆ Ｃ 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ANSI C 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ANSI C 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：
---- 《OpenGL Programmer's Guide》 SGI inc.
---- 《OpenGL 三 维 图 形 程 序 设 计》 廖 朵 朵、 张 华 军 著， 星 球 地 图 出 版 社
---- 《Visual C++ 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Windows 95 OSR2 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）：
s#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:
HGLRCm_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:reCreateWindow(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:reCreateWindow(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;