OpenGL 漂亮的星星
原 文：Lesson 9: Moving Bitmaps In 3D Space
作 者：CKER
欢迎进入第九课。到现在为止，您应该很好的理解OpenGL了。您已经学会了设置一个OpenGL窗口的每个细节。学会在旋转的物体上贴图并打上光线以及混色（透明）处理。这一课应该算是第一课中级教程。您将学到如下的知识：在3D场景中移动位图，并去除位图上的黑色象素（使用混色）。接着为黑白纹理上色，最后您将学会创建丰富的色彩，并把上过不同色彩的纹理相互混合，得到简单的动画效果。我们在第一课的代码基础上进行修改。先在程序源码的开始处增加几个变量。出于清晰起见，我重写了整段代码。
#include <windows.h> // Windows的头文件
#include <stdio.h> // 标准输入/输出库的头文件
#include <gl/gl.h> // OpenGL32库的头文件
#include <gl/glu.h> // GLu32库的头文件
#include <gl/glaux.h> // GLaux库的头文件
HGLRC hRC=NULL; // 永久着色描述表
HDC hDC=NULL; // 私有GDI设备描述表
HWND hWnd=NULL; // 保存我们的窗口句柄
HINSTANCE hInstance; // 保存程序的实例
bool keys[256]; // 用于键盘例程的数组
bool active=TRUE; // 窗口的活动标志，缺省为TRUE
bool fullscreen=TRUE; // 全屏标志缺省设定成全屏模式
下列这几行新加的。twinkle和tp是布尔变量，表示它们只能设为TRUE或FALSE。twinkle用来跟踪“闪烁”效果是否启用。tp用来检查‘T’键有没有被按下或松开。（按下时tp=TRUE，松开时tp=FALSE）
BOOL twinkle; // 闪烁的星星
BOOL tp; // 'T' 按下了么?
num跟踪屏幕上所绘制的星星数。这个数字被定义为一个常量。这意味着无法在以后的代码中对其进行修改。这么做的原因是因为您无法重新定义一个数组。因此，如果我们定义一个50颗星星的数组，然后又将num增加到51的话，就会出错（CKER：数组越界）。不过您还是可以（也只可以）在这一行上随意修改这个数字。但是以后请您别再改动num的值了，除非您想看见灾难发生。
const num=50; // 绘制的星星数
现在我们来创建一个结构。结构这词听起来有点可怕，但实际上并非如此。一个结构使用一组简单类型的数据 （以及变量等）来表达较大的具有相似性的数据组合。我们知道我们在保持对星星的跟踪。您可以看到下面的第七行就是stars；并且每个星星有三个整型的色彩值。第三行int r,g,b设置了三个整数。一个红色（r）、一个绿色（g）、以及一个蓝色（b）。此外，每个星星离屏幕中心的距离不同，而且可以是以屏幕中心为原点的任意360度中的一个角度。如果你看下面第四行的话，会发现我们使用了一个叫做dist的浮点数来保持对距离的跟踪。第五行则用一个叫做angle的浮点数保持对星星角度值的跟踪。
因此我们使用了一组数据来描述屏幕上星星的色彩，距离，及角度。不幸的是我们不止对一个星星进行跟踪。但是无需创建50个红色值、50个绿色值、50个蓝色值、50个距离值，以及50个角度值，而只需创建一个数组star。star数组的每个元素都是stars类型的，里面存放了描述星星的所有数据。star数组在下面的第八行创建。 第八行的样子是这样的：stars star[num]。数组类型是stars结构。所数组能存放所有stars结构的信息。数组名字是star。数组大小是[num]。数组中存放着stars结构的元素。跟踪结构元素会比跟踪各自分开的变量容易的多。不过这样也很笨，因为我们竟然不能改变常量num来增减星星数量。
typedef struct // 为星星创建一个结构
{
int r, g, b; // 星星的颜色
GLfloat dist; // 星星距离中心的距离
GLfloat angle; // 当前星星所处的角度
}
stars; // 结构命名为stars
stars star[num]; // 使用 'stars' 结构生成一个
// 包含'num'个元素的 'star'数组
接下来我们设置几个跟踪变量：星星离观察者的距离变量（zoom），我们所见到的星星所处的角度（tilt），以及使闪烁的星星绕Z轴自转的变量spin。
loop变量用来绘制50颗星星。texture[1]用来存放一个黑白纹理。如果您需要更多的纹理的话，您应该增加texture数组的大小至您决定采用的纹理个数。
GLfloat zoom=-15.0f; // 星星离观察者的距离
GLfloat tilt=90.0f; // 星星的倾角
GLfloat spin; // 闪烁星星的自转
GLuint loop; // 全局 Loop 变量
GLuint texture[1]; // 存放一个纹理
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM); // WndProc的声明
紧接着上面的代码就是我们用来载入纹理的代码。我不打算再详细的解释这段代码。这跟我们在第六、七、八课中所用的代码是一模一样的。这次载入的位图叫做“star.bmp”。这里我们使用glGenTextures(1,&texture[0])，来生成一个纹理。纹理采用线性滤波方式。
AUX_RGBImageRec *LoadBMP(char *Filename) // 载入位图
{
FILE *File=NULL; // 文件句柄
if (!Filename) // 确认文件名已初始化
{
return NULL; // 没有返回 NULL
}
File=fopen(Filename,"r"); // 检查文件是否存在
if (File) // 文件存在么?
{
fclose(File); // 关闭文件句柄
return auxDIBImageLoad(Filename); // 载入位图并返回一个指针
}
return NULL; // 载入失败返回 NULL
}
下面的代码（调用上面的代码）载入位图，并转换成纹理。变量用来跟踪纹理是否已载入并创建好了。
int LoadGLTextures() // 载入位图并转换成纹理
{
int Status=FALSE; // Status 状态指示器
AUX_RGBImageRec *TextureImage[1]; // 为纹理分配存储空间
memset(TextureImage,0,sizeof(void *)*1); // 将指针设为 NULL
// 载入位图，查错，如果未找到位图文件则退出
if (TextureImage[0]=LoadBMP("Data/Star.bmp"))
{
Status=TRUE; // 将 Status 设为TRUE
glGenTextures(1, &texture[0]); // 创建一个纹理
// 创建一个线性滤波纹理
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,
0,
3,
TextureImage[0]->sizeX,
TextureImage[0]->sizeY,
0,
GL_RGB,
GL_UNSIGNED_BYTE,
TextureImage[0]->data);
}
if (TextureImage[0]) // 如果纹理存在
{
if (TextureImage[0]->data) // 如果纹理图像存在
{
free(TextureImage[0]->data); // 释放纹理图像所占的内存
}
free(TextureImage[0]); // 释放图像结构
}
return Status; // 返回 Status的值
}
现在设置OpenGL的渲染方式。这里不打算使用深度测试，如果您使用第一课的代码的话，请确认是否已经去掉了glDepthFunc(GL_LEQUAL);和glEnable(GL_DEPTH_TEST);两行。否则，您所见到的效果将会一团糟。这里我们使用了纹理映射，因此请您确认您已经加上了这些第一课中所没有的代码。您会注意到我们通过混色来启用了纹理映射。
int InitGL(GLvoid) // 此处开始对OpenGL进行所有设置
{
if (!LoadGLTextures()) // 调用纹理载入子例程
{
return FALSE; // 如果未能载入，返回FALSE
}
glEnable(GL_TEXTURE_2D); // 启用纹理映射
glShadeModel(GL_SMOOTH); // 启用阴影平滑
glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f); // 黑色背景
glClearDepth(1.0f); // 设置深度缓存
glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST); // 真正精细的透视修正
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE); // 设置混色函数取得半透明效果
glEnable(GL_BLEND); // 启用混色
以下是新增的代码。设置了每颗星星的起始角度、距离、和颜色。您会注意到修改结构的属性有多容易。全部50颗星星都会被循环设置。要改变star[1]的角度我们所要做的只是star[1].angle={某个数值}；就这么简单。
for (loop=0; loop<num; loop++) // 创建循环设置全部星星
{
star[loop].angle=0.0f; // 所有星星都从零角度开始
第loop颗星星离中心的距离是将loop的值除以星星的总颗数，然后乘上5.0f。基本上这样使得后一颗星星比前一颗星星离中心更远一点。这样当loop为50时（最后一颗星星），loop 除以 num正好是1.0f。之所以要乘以5.0f是因为1.0f*5.0f 就是 5.0f。5.0f已经很接近屏幕边缘。我不想星星飞出屏幕，5.0f是最好的选择了。当然如果如果您将场景设置的更深入屏幕里面的话，也许可以使用大于5.0f的数值，但星星看起来就更小一些（都是透视的缘故）。
您还会注意到每颗星星的颜色都是从0～255之间的一个随机数。也许您会奇怪为何这里的颜色得取值范围不是OpenGL通常的0.0f～1.0f之间。这里我们使用的颜色设置函数是glColor4ub，而不是以前的glColor4f。ub意味着参数是Unsigned Byte型的。一个byte的取值范围是0～255。这里使用byte值取随机整数似乎要比取一个浮点的随机数更容易一些。
star[loop].dist=(float(loop)/num)*5.0f; // 计算星星离中心的距离
star[loop].r=rand()%256; // 为star[loop]设置随机红色分量
star[loop].g=rand()%256; // 为star[loop]设置随机红色分量
star[loop].b=rand()%256; // 为star[loop]设置随机红色分量
}
return TRUE; // 初始化一切OK
}
Resize的代码也是一样的，现在我们转入绘图代码。如果您使用第一课的代码，删除旧的DrawGLScene代码，只需将下面的代码复制过去就行了。实际上，第一课的代码只有两行，所以没太多东西要删掉的。
int DrawGLScene(GLvoid) // 此过程中包括所有的绘制代码
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // 清除屏幕及深度缓存
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]); // 选择纹理
for (loop=0; loop<num; loop++) // 循环设置所有的星星
{
glLoadIdentity(); // 绘制每颗星之前，重置模型观察矩阵
glTranslatef(0.0f,0.0f,zoom); // 深入屏幕里面(使用 'zoom'的值)
glRotatef(tilt,1.0f,0.0f,0.0f); // 倾斜视角(使用'tilt'的值)
现在我们来移动星星。星星开始时位于屏幕的中心。我们要做的第一件事是把场景沿Y轴旋转。如果我们旋转90度的话，X轴不再是自左至右的了，他将由里向外穿出屏幕。为了让大家更清楚些，举个例子。假想您站在房子中间。再设想您左侧的墙上写着-x，前面的墙上写着-z，右面墙上就是+x咯，您身后的墙上则是+z。加入整个房子向右转90度，但您没有动，那么前面的墙上将是-x而不再是-z了。所有其他的墙也都跟着移动。-z出现在右侧，+z出现在左侧，+x出现在您背后。神经错乱了吧？通过旋转场景，我们改变了x和z平面的方向。
第二行代码沿x轴移动一个正值。通常x轴上的正值代表移向了屏幕的右侧（也就是通常的x轴的正向），但这里由于我们绕y轴旋转了坐标系，x轴的正向可以是任意方向。如果我们转180度的话，屏幕的左右侧就镜像反向了。因此，当我们沿 x轴正向移动时，可能向左，向右，向前或向后。
glRotatef(star[loop].angle,0.0f,1.0f,0.0f); // 旋转至当前所画星星的角度
glTranslatef(star[loop].dist,0.0f,0.0f); // 沿X轴正向移动
接着的代码带点小技巧。星星实际上是一个平面的纹理。现在您在屏幕中心画了个平面的四边形然后贴上纹理，这看起来很不错。一切都如您所想的那样。但是当您当您沿着y轴转上个90度的话，纹理在屏幕上就只剩右侧和左侧的两条边朝着您。看起来就是一条细线。这不是我们所想要的。我们希望星星永远正面朝着我们，而不管屏幕如何旋转或倾斜。
我们通过在绘制星星之前，抵消对星星所作的任何旋转来实现这个愿望。您可以采用逆序来抵消旋转。当我们倾斜屏幕时，我们实际上以当前角度旋转了星星。通过逆序，我们又以当前角度“反旋转”星星。也就是以当前角度的负值来旋转星星。就是说，如果我们将星星旋转了10度的话，又将其旋转-10度来使星星在那个轴上重新面对屏幕。下面的第一行抵消了沿y轴的旋转。然后，我们还需要抵消掉沿x轴的屏幕倾斜。要做到这一点，我们只需要将屏幕再旋转-tilt倾角。在抵消掉x和y轴的旋转后，星星又完全面对着我们了。
glRotatef(-star[loop].angle,0.0f,1.0f,0.0f); // 取消当前星星的角度
glRotatef(-tilt,1.0f,0.0f,0.0f); // 取消屏幕倾斜
如果 twinkle 为 TRUE，我们在屏幕上先画一次不旋转的星星：将星星总数（num）减去当前的星星数（loop）再减去1，来提取每颗星星的不同颜色（这么做是因为循环范围从0到num-1）。举例来说，结果为10的时候，我们就使用10号星星的颜色。这样相邻星星的颜色总是不同的。这不是个好法子，但很有效。最后一个值是alpha通道分量。这个值越小，这颗星星就越暗。
由于启用了twinkle，每颗星星最后会被绘制两遍。程序运行起来会慢一些，这要看您的机器性能如何了。但两遍绘制的星星颜色相互融合，会产生很棒的效果。同时由于第一遍的星星没有旋转，启用twinkle后的星星看起来有一种动画效果。（假如您这里看不懂得话，就自己去看程序的运行效果吧。）值得注意的是给纹理上色是件很容易的事。尽管纹理本身是黑白的，纹理将变成我们在绘制它之前选定的任意颜色。此外，同样值得注意的是我们在这里使用的颜色值是byte型的，而不是通常的浮点数。甚至alpha通道分量也是如此。
if (twinkle) // 启用闪烁效果
{
// 使用byte型数值指定一个颜色
glColor4ub(star[(num-loop)-1].r,
star[(num-loop)-1].g,
star[(num-loop)-1].b,255);
glBegin(GL_QUADS); // 开始绘制纹理映射过的四边形
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f);glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f);glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f);
glEnd(); // 四边形绘制结束
}
现在绘制第二遍的星星。唯一和前面的代码不同的是这一遍的星星肯定会被绘制，并且这次的星星绕着z轴旋转。
glRotatef(spin,0.0f,0.0f,1.0f); // 绕z轴旋转星星
// 使用byte型数值指定一个颜色
glColor4ub(star[loop].r,star[loop].g,star[loop].b,255);
glBegin(GL_QUADS); // 开始绘制纹理映射过的四边形
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f);
glEnd(); // 四边形绘制结束
以下的代码代表星星的运动。我们增加spin的值来旋转所有的星星（公转）。然后，将每颗星星的自转角度增加loop/num。这使离中心更远的星星转的更快。最后减少每颗星星离屏幕中心的距离。这样看起来，星星们好像被不断地吸入屏幕的中心。
spin+=0.01f; // 星星的公转
star[loop].angle+=float(loop)/num; // 改变星星的自转角度
star[loop].dist-=0.01f; // 改变星星离中心的距离
接着几行检查星星是否已经碰到了屏幕中心。当星星碰到屏幕中心时，我们为它赋一个新颜色，然后往外移5个单位，这颗星星将踏上它回归屏幕中心的旅程。
if (star[loop].dist<0.0f) // 星星到达中心了么
{
star[loop].dist+=5.0f; // 往外移5个单位
star[loop].r=rand()%256; // 赋一个新红色分量
star[loop].g=rand()%256; // 赋一个新绿色分量
star[loop].b=rand()%256; // 赋一个新蓝色分量
}
}
return TRUE; // 一切正常
}
现在我们添加监视键盘的代码。下移到WinMain()。找到SwapBuffers(hDC)一行。我们就在这一行后面增加键盘监视代码。
代码将检查T键是否已按下。如果T键按下过，并且又放开了，if块内的代码将被执行。如果twinkle为FALSE，他将变为TRUE。反之亦然。只要T键按下，tp就变为TRUE。这样处理可以防止如果您一直按着T键的话，块内的代码被反复执行。
SwapBuffers(hDC); // 切换缓冲 (双缓冲)
if (keys['T'] && !tp) // 是否T键已按下并且tp值为 FALSE
{
tp=TRUE; // 若是，将tp设为TRUE
twinkle=!twinkle; // 翻转twinkle的值
}
下面的代码检查是否松开了T键。若是，使tp=FALSE。除非tp的值为FALSE，否则按着T键时什么也不会发生。所以这行代码很重要。
if (!keys['T']) // T 键已松开了么?
{
tp=FALSE; // 若是，tp为 FALSE
}
余下的代码检查上、下方向键，向上翻页键或向下翻页键是否按下。
if (keys[VK_UP]) // 上方向键按下了么?
{
tilt-=0.5f; // 屏幕向上倾斜
}
if (keys[VK_DOWN]) // 下方向键按下了么?
{
tilt+=0.5f; // 屏幕向下倾斜
}
if (keys[VK_PRIOR]) // 向上翻页键按下了么
{
zoom-=0.2f; // 缩小
}
if (keys[VK_NEXT]) // 向下翻页键按下了么?
{
zoom+=0.2f; // 放大
}
像以前一样，确认窗口的标题是否正确。
if (keys[VK_F1]) // F1键按下了么?
{
keys[VK_F1]=FALSE;
KillGLWindow(); // 销毁当前的窗口
fullscreen=!fullscreen; // 切换 全屏/窗口 模式
// 重建 OpenGL 窗口(修改)
if (!CreateGLWindow("NeHe's Textures, Lighting & Keyboard Tutorial",640,480,16,fullscreen))
{
return 0; // 如果窗口未能创建，程序退出
}
}
}
}
}
这一课我尽我所能来解释如何加载一个灰阶位图纹理，（使用混色）去掉它的背景色后，再给它上色，最后让它在3D场景中移动。我已经向您展示了如何创建漂亮的颜色与动画效果。实现原理是在原始位图上再重叠一份位图拷贝。到现在为止，只要您很好的理解了我所教您的一切，您应该已经能够毫无问题的制作您自己的3D Demo了。所有的基础知识都已包括在内。
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