Win32 OpenGL编程(3) 基本图元（点，直线，多边形）的绘制

Win32 OpenGL 编程 ( 3 ) 基本图元（点，直线，多边形）的绘制

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一、    提要

在前面两篇相关文章

《  Win32 OpenGL 编程（1）Win32下的OpenGL编程必须步骤 》

《 Win32 OpenGL编程(2) 寻找缺失的OpenGL函数 》

中，我们已经建立了一个较为全面的 Win32 OpenGL 编程环境及一个简单的框架，并且，实际上掌握了 OpenGL 在 Windows 下与 Win32 窗口交互的方法，在此基础上，总算是可以正式进行一些 OpenGL 相关知识的学习，前面的那些也就算是热身。本文的目的是将 OpenGL 中基本图元（点，线，多边形）的绘制大概的讲解一遍，最后可以组合的使用这些技术用 OpenGL 完成较为复杂的 2D 图形。

 

二、    基本图元相关概念

首先讲讲相关的概念，在 OpenGL 中，即使是复杂的图形，实际上也是由一些非常基本的图元组成，即点，直线，多边形，多边形中用的较多的又是三角形和矩形。在数学中，两点确定一条直线，三点确定一个三角形和一个面，同一个面上的四个点确定一个四边形。。。。。。在 OpenGL 中也大致的利用此方式来确定直线和多边形，也就是说，当你想画一个直线或者一个多边形的时候，只需要告诉 OpenGL 能确定此直线或者多边形的点即可。用参考 2 中的描述是：“在 OpenGL 中，所有的几何物体最终都描述成一组有序的顶点”。有此基本的概念后就可以看下面的例子了。

 

三、    OpenGL 的 Hello World 示例分析

这里的 Hello World 程序指的是一个利用 OpenGL 完成的矩形绘制程序，相对于在系列文章 1 中的 Win32 OpenGL 编程框架，简化了很多东西，只剩下最最基本的 OpenGL 元素，但也是一个完善的 OpenGL 示例了。此示例显示的是一个白色的矩形，运行效果如附图 1 ，完整代码见我博客代码的 2009-10-12/SimpleRectangle 工程，具体下载及查看方法见本文最后的说明。

此示例 OpenGL 相关的主要就是两部分。

//OpenGL 初始化开始

void SceneInit ( int w , int h )

{

 

}

 

  // 这里进行所有的绘图工作

void SceneShow ( GLvoid )       

{

       glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT );

 

       glBegin ( GL_QUADS );

       glVertex3f (-0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, 0.5, 0.0);

       glVertex3f (-0.5, 0.5, 0.0);

       glEnd ();

 

       glFlush ();

} 

 

我们下面从 OpenGL 的角度来分析此程序。作为 HelloWorld 级的程序，我简化了很多东西，首先 OpenGL 的初始化省略了，用的都是 OpenGL 的默认值，具体有哪些，后面一步一步说。以下是按步骤说明每个 OpenGL 函数。

 

1.       glClear

OpenGL 参考手册 :

glClear takes a single argument that is the bitwise OR of several values indicating which buffer is to be cleared.

GL_COLOR_BUFFER_BIT Indicates the buffers currently enabled for color writing.

 

作用是清除颜色缓冲区。类似于我们使用一块新申请的内存时先用 memset/ZeroMemory 去清零一下，用这样的 Clear 操作为我们需要使用的颜色缓冲区 (Color Buffer) 清零一下。假如没有这样的操作，以前留在显存 / 内存 ( 不确定 ) 中的值会影响我们的操作，并且，这样的问题往往是非常难以调试和发现的，这一点大家可以尝试一下。

 

2.       glBegin ， glEnd

OpenGL 参考手册 :

glBegin, glEnd - delimit the vertices of a primitive or a group of like primitives

 

OpenGL 代码的主体部分是：

       glBegin ( GL_QUADS );     

       glVertex3f (-0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, 0.5, 0.0);

       glVertex3f (-0.5, 0.5, 0.0);

       glEnd ();

 

glBegin 与 glEnd 很明显是一对， 标志着一组 OpenGL 操作的开始和结束。 并且在参数中告诉了 OpenGL 下面的操作是针对什么图形进行的，此例中 GL_QUADS 是表示四边形。事实上还有很多其他的参数来表示各类图形，在《 OpenGL Programming Guide 》的 此页 中 Figure 2-7 : Geometric Primitive Types 一图形象的说明了各个参数的作用。

 

3.       glVertex *

glVertex3f 就是在 基本图元相关概念 一节提到的 OpenGL 中确定顶点的函数。简而言之，上面的 4 句 glVertex3f 确定了矩形的 4 个顶点。（注意顺序）然后， OpenGL 就会自动根据 glBegin 指定的参数去完成相关的绘制任务了， 此例中 GL_QUADS 是表示四边形，所以最后的效果是一个矩形，实际的其他参数读者可以自己尝试一下。

 

4.       OpenGL 默认坐标系

我们再看一下 glVertex* 指定顶点的代码：

glVertex3f (-0.5, -0.5, 0.0);

glVertex3f (0.5, -0.5, 0.0);

glVertex3f (0.5, 0.5, 0.0);

glVertex3f (-0.5, 0.5, 0.0);

 

为什么上述就指定了一个矩形的四个顶点呢？需要说明的是，在 OpenGL 中默认坐标体系与 Windows 中常用的不同， Windows 中常用的坐标体系（仅 2D ）是用户区的左上角为坐标原点，即 (0.0,0.0) 点，右为坐标轴的 X 轴正方向，下为 Y 轴正方向， OpenGL 中的坐标轴（ 3D ）默认以客户区中心点为坐标原点（ 0.0,0.0,0.0 ），右为坐标轴的 X 轴正方向，上为 Y 轴正方向，垂直指出屏幕的方向为 Z 轴正方向。长度定义是将客户区范围为按单位长度定义，即整个客户区恰好是 (-1,-1) （左下）到 (1,1) （右上）。附图 2 是一个上述示例程序附上 OpenGL 的平面坐标系的图，也可以作为 OpenGL 默认坐标系的参考图。

 

5.       OpenGL 函数命名

这里顺面介绍一下 OpenGL 函数的命名规范，因为 C 语言天生的弱点及丰富的数据类型，在 OpenGL 中凡是牵涉到与参数数量和数据类型相关的函数，一般的命名方式都是 xxxx[n][t] 。

xxxx 表示函数的意义， [t] 用于表示此函数对应的类型。一般用单个的字母表示参数的类型， s 表示 16 位整数（ OpenGL 中将这个类型定义为 GLshort ）， i 表示 32 位整数（ OpenGL 中将这个类型定义为 GLint 和 GLsizei ）， f 表示 32 位浮点数（ OpenGL 中将这个类型定义为 GLfloat ）， d 表示 64 位浮点数（ OpenGL 中将这个类型定义为 GLdouble ）。此例中使用的是 32 位浮点数，所以是 f 。这是 C 语言没有函数重载机制的天生弱点导致的扭曲应对方案。（用 C++ 就不需要这么麻烦了）

然后是数字，因为同样的原因，在 C 语言中一个同样意义的函数不能同时有不同个数的参数，所以 OpenGL 用一个数字来表示参数的个数，此例中是 3 ，表示以 3 个参数（即点的 X,Y,Z 坐标）来表示顶点。（事实上还有 glVertex2* ， glVertex4* ）

比如此例中，用如下代码效果是一样的：

       glVertex2f (-0.5, -0.5);

       glVertex2f (0.5, -0.5);

       glVertex2f (0.5, 0.5) ;

       glVertex2f (-0.5, 0.5);

在 glVertex2f 中， Z 轴默认为 0.

这里我依照参考 2 的用法，以 * 作为通配符来表示一组函数， * 既可以表示代表参数数量的数字也可以表示代表类型的字母。

 

6.       glFlush

OpenGL 参考手册 :

glFlush - force execution of GL commands in finite time

 

       说白了就是强制执行已经指定的 OpenGL 命令，与 fflush 命名类似作用也类似。

 

7.       小结

以上的 5 个 OpenGL 函数就构成了一个基本的 OpenGL 程序（不包括模板中使用的那些），由 glClear 清空颜色缓冲区获得干净的环境，由 glBegin 指定开始一组顶点操作的开始，并确认绘制图形，由 glVertex* 指定顶点，由 glEnd 表示操作结束，由 glFlush 强制开始绘图。运行效果如附图 1 。

 

四、    基本图元

事实上，上一节已经包含了所有的知识，各个图元在 OpenGL 中绘制方式的不同仅仅在于 glBegin 的参数不同而已，这里将基本图元简单介绍一下。

1.       点

点是最常用的图元之一了，而且所有的图像都可以看做是由点构成的，事实上屏幕也就是由一个一个像素点构成了图像：）

画点的方式是使用 GL_POINTS 为参数调用 glBegin 。那么，每一个 glVertex* 指定顶点就会绘制成一个单独的点。点的默认大小为 1 个像素，可以通过 glPointSize 函数来改变点的大小，在点比较大并且没有开启抗锯齿时，是按照一个正方形来绘制的。比如上例中，仅仅将 GL_QUADS 换成 GL_POINTS ，将是绘制上述矩形的 4 个顶点，为了截图效果显著，调用 glPointSize 将点的大小改为 20 。如下代码：

// 这里进行所有的绘图工作

void SceneShow ( GLvoid )       

{

       glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT );

 

       glPointSize (20);

       glBegin ( GL_POINTS );

       glVertex3f (-0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, 0.5, 0.0);

       glVertex3f (-0.5, 0.5, 0.0);

       glEnd ();

 

       glFlush ();

} 

效果如附图 3 所示。

光是点也可以做很多有趣的应用， Windows 的屏保模拟星空即是其一，事实上，在原来学习简单的图形编程时，我用多种语言尝试了用点做一些有意思的东西。见简单图形编程学习系列：

《 简单图形编程的学习（ 2） ---点 (Qt实现 ) 》

《 简单图形编程的学习（ 2） ---点 (Windows GDI实现 ) 》

《 简单图形编程的学习（ 2） ---点 (small basic实现 ) 》

其中点与文字结合形成的那个星空文字效果我是印象深刻，我一直将其作为“简单的编程技术 + 创意”也能很强大的例子。

 

2.       直线

直线也是很基础的东西了，但是 OpenGL 中的直线与数学概念上有些区别，不知道外国的那些专家在命名时为啥乱了，其实 OpenGL 中的直线与数学中的线段概念一致，有两个端点确认长度。事实上，在 OpenGL 绘制中，指定的也就是线段的两个端点。用 GL_LINES 调用 glBegin 时，表示绘制的是直线。默认情况下宽度为一个像素，同样， OpenGL 也提供了函数 glLineWidth 用以改变直线的宽度。比如上例中，仅仅将 GL_QUADS 换成 GL_LINES 将是两条平行的直线，并用 glLineWidth 将直线宽度改为 5 ，如下代码：

// 这里进行所有的绘图工作

void SceneShow ( GLvoid )       

{

       glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT );

 

       glLineWidth (5);

       glBegin ( GL_LINES );

       glVertex3f (-0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, -0.5, 0.0);

       glVertex3f (0.5, 0.5, 0.0);

       glVertex3f (-0.5, 0.5, 0.0);

       glEnd ();

 

       glFlush ();

} 

运行效果如附图 4 所示。

直线的应用也是非常广泛的，还记得 Windows 的屏保中的变幻线吗？千变万变，无论多么绚烂的效果，其实也仅仅是一条条变化的线段而已。

 

 

3.       多边形

其实可以将多边形看成是从点到线到面的一种扩展，这里的面自然也是有范围的，那么就成了多边形了，在绘制图形中用的最多的是三角形，因为三角形肯定在同一个面上，这样可以简化很多计算的处理。 GL_TRIANGLES 调用 glBegin 表示开始绘制三角形。然后还有 GL_QUADS 表示四边形（上例中的用法）， GL_POLYGON 表示多边形（必须是凸的）。

 

4.       小结

其实除了上面讲到的那些参数，还有一些额外的参数，比如 GL_LINE_STRIP,GL_TRIANGLES_STRIP 等，表示绘制的时候绘制一些列连续的图形，这些参数用文字解释起来不够形象，还是推荐参考 《 OpenGL Programming Guide 》的 此页 中 Figure 2-7 : Geometric Primitive Types 一图，此图形象的展示了各个参数时对点的解释方式和顺序。在此图的下面，还有个表总结了一下各个参数的作用。

在一个 glBegin 和 glEnd 对中可以连续的制定多个顶点，甚至超出你指定的图形的数目，比如绘制三角形时可以指定 6 个点，那么此时，将会绘制两个三角形而不是一个，这样而当指定 4 ， 5 个点时用 GL_TRIANGLES 参数时将会丢弃，用 GL_TRIANGLE_STRIP 参数时将会连续绘制两个三角形，具体的解释方法也是要看 glBegin 参数的，建议还是参考上述图片。

 

五、    参考资料

1.          《 OpenGL Reference Manual 》， OpenGL 参考手册

2.          《 OpenGL  编程指南》（《 OpenGL Programming Guide 》）， Dave Shreiner ， Mason Woo ， Jackie Neider ， Tom Davis  著，徐波译，机械工业出版社

3.        《 Nehe OpenGL Tutorials 》， Nehe 著，在 http://nehe.gamedev.net/ 上可以找到教程及相关的代码下载，（有 PDF 版本教程下载） Nehe 自己还做了一个面向对象的框架，作为演示程序来说，这样的框架非常合适。也有 中文版 ，各取所需吧。

4.        《 OpenGL 入门学习》 ， eastcowboy 著，这是我在网上找到的一个比较好的教程，较为完善，而且非常通俗。这是第一篇的地址： http://bbs.pfan.cn/post-184355.html

 

六、    系列其他文章

1.    《  Win32 OpenGL 编程（1）Win32下的OpenGL编程必须步骤 》

2.        《 Win32 OpenGL编程(2) 寻找缺失的OpenGL函数 》

 

七、    最后说明

本文中所有代码（如果有的话）都能用 Mercurial 在 Google Code 中下载。

文章以博文发表的日期分目录存放，下载地址见：

http://code.google.com/p/jtianling/source/checkout?repo=blog-sample-code

或者直接使用 Mercurial 克隆下列库：

https://blog-sample-code.jtianling.googlecode.com/hg/

Mercurial 使用方法见《 分布式的，新一代版本控制系统 Mercurial的介绍及简要入门 》

 

八、    附图

1.       图 1 SimpleRectangle

 

图2 SimpleRectangle with coordinate

图3 SimplePoints

图4 SimpleLines

 

 

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