OpenGL复习.doc

OpenGL复习
考试题型 选择 填空 判断 程序题（读和写）
主要考察内容
利用OpenGL开发三维图形程序的基本过程和具体内容（见提纲各章）

对OpenGL API函数的掌握程度（要求见提纲末章）

熟练利用OpenGL API编写基本、完整和正确三维图形程序的能力

1. 绪论
2. 二维编程基础
3. 交互和动画
4. 几何变换和三维编程基础
5. 光照与材质
6. 离散图元
7. 纹理映射

第一章 绪论
重点内容
计算机如何实现三维图形显示？
1.图形与图像的关系
图形：由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成，更强调场景的几何表示 。
图像：计算机内以位图形式存在的灰度信息
2.2D屏幕上如何产生和增强3D效果？
产生3D效果：透视——透视缩短或者视角
增强3D效果：
不可见面消除
颜色和着色
光照和阴影
纹理贴图
雾
混合和透明
抗锯齿（多重采样）
…

什么是OpenGL？
OpenGL的三种常见定义及其含义
开放的图形程序库（Open Graphics Library）
1.图形软件工具包—— OpenGL由SGI的IRIS GL发展而来；
2. “开放” ——可移植性（跨平台、跨语言）

图形应用程序编程接口（图形API）
1图形接口与实现分离；
2. 由OpenGL ARB制定OpenGL API标准；
3. 允许程序员开发包含交互式计算机图形操作的应用，而不必关注图形操作细节或任务系统细节（比如窗口处理和交互）

图形硬件的软件接口
1.OpenGL非常接近于底层硬件，OpenGL的应用程序运行效率高；
2. 作为标准的图形软件接口，OpenGL屏蔽了与不同图形硬件交互的复杂性，易于掌握和使用。

OpenGL的工作方式
状态机
想一想已学的哪些对象是OpenGL状态？\
顶点位置，颜色、矩阵，材质，纹理坐标、源因子和目标因子、光源的各种参数，等等，这些都是状态
此外，“是否启用了光照”、“是否启用了纹理”、“是否启用了混合”、“是否启用了深度测试”等等，这些也都是状态

渲染流水线
几何流水线
像素流水线

OpenGL的版本和扩展
OpenGL核心库（GL库）、OpenGL实用库（GLU库）及OpenGL实用工具包 （GLUT库）的功能和区别（即OpenGL能做什么，不能做什么）
OpenGL核心库（GL库）：函数以“gl”为前缀；主要功能包括三维物体描述、平移、旋转、缩放、光照、纹理、材质、像素、位图、文字处理等；OpenGL 提供的所有功能都可以使用核心库函数来实现，并且对于不同的软件和硬件平台，这些函数的使用完全相同。

OpenGL实用库（GLU库）：函数以“glu”为前缀；主要功能包括绘制二次曲面、NURBS曲线曲面、复杂多边形以及纹理、矩阵管理等；实用库中的所有函数全都使用OpenGL核心库函数来编写的，因此在使用上和OpenGL核心库的使用是完全相同的。

OpenGL实用工具包 （GLUT库）：函数以“glut”为前缀主要功能包括窗口创建与管理、用户交互（鼠标、键盘等），并；GLUT库独立于操作系统和窗口系统。

OpenGL核心库（GL库）
三维物体描述和操作（平移、旋转、缩放、光照、纹理、材质）
像素、位图、文字处理
OpenGL实用库（GLU库）
曲线曲面，复杂多边形
纹理、矩阵管理
OpenGL实用工具包 （GLUT库）
窗口（创建与管理）
交互（鼠标、键盘等））
提供一种基于事件驱动的窗口程序运行架构

认识OpenGL API——编程规范
常量和变量定义
函数名约定

常量：GL_COLOR_BUFFER_BIT, GL_POLYGON, …
变量类型：GLint, GLshort, GLfloat, GLdouble, …

想一想我们已学到的OpenGL主要函数分别属于哪个库？

第二章 二维图形编程
基于GLUT的OpenGL应用程序基本结构
主函数框架结构（main()）
初始化GLUT
配置和创建窗口
注册窗口和用户输入事件处理函数
显示（绘制、重绘）
窗口大小变化
输入: 键盘，鼠标，…
初始化OpenGL状态机
进入事件处理循环

各事件处理函数的意义和使用方法（即OpenGL与各事件处理函数的关系）

1.初始化GLUT库，并且处理命令行启动变量；
void glutInit (int* argcp, char** argv);
忽略GLUT无法识别的启动参数；
常见启动参数：-geometry WxH+X+Y、-iconic、…
程序启动例子：
simple.exe -geometry 500x500+100+100
simple.exe -iconic

2. 配置和创建窗口
设定窗口显示模式
void glutInitDisplayMode (unsigned int mode);
mode - GLUT_RGBA, GLUT_RGB, GLUT_INDEX, GLUT_SINGLE, GLUT_DOUBLE,
GLUT_ACCUM, GLUT_ALPHA, GLUT_DEPTH, …
指定窗口大小和位置
void glutInitWindowSize (int width, int height);
void glutInitWindowPosition ( int x, int y);
x, y - 相对于屏幕左上角
创建窗口
int glutCreateWindow (char* name);
返回值为窗口句柄；

3. 注册窗口和用户输入事件处理函数
事件驱动（Event-driven）程序：
利用窗口接收输入并显示输出；
程序等待直到有事件发生并调用预先定义的事件处理程序；
事件（Event）：
外部事件：键盘按键、鼠标按键、鼠标移动、游戏杆、…
窗口事件：窗口显示、窗口大小调整、…

事件处理程序（回调函数）被GLUT调用，发生下列事件
窗口显示（重绘）、窗口位置和大小改变；
用户输入（键盘、鼠标）；
动画（需要绘制多帧）；
向GLUT注册回调函数：
glutDisplayFunc( display );
glutReshapeFunc( reshape );
glutKeyboardFunc( keyboard );
glutMouseFunc ( mouse );
glutMotionFunc( motion )
glutIdleFunc( idle );
glutTimeFunc( time );

4. 初始化OpenGL状态机
为你的OpenGL例程定制所需要的各种状态；
void init(void) {
//设置背景颜色
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

//设置填充颜色
glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);

//设置光照方式
//glEnable( GL_LIGHT0 );
//glEnable( GL_LIGHTING );

}

5. 进入事件处理循环
接收事件，并依据事件类型调用注册的事件处理回调函数

Display Callback

Reshape Callback

视口和投影变换
视口变换
glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei width, GLsizei height)
投影变换
gluOrtho2d( GLdouble left, GLdouble right,
GLdouble bottom, GLdouble top)

Mouse Callback
处理用户鼠标输入；
glutMouseFunc( mouse );
void mouse (int button, int state, int x, int y)
{
switch (button) {
case GLUT_LEFT_BUTTON:
if (state == GLUT_DOWN) {
//printf("left mouse click\n"); }
break;
default:
break;
}
}

Motion Callback
处理用户鼠标拖动输入；
glutMotionFunc( motion )
glutPassiveMotionFunc( passive_motion );
void motion (int x, int y)
{

}

Keyboard Callback
处理用户键盘输入；
glutKeyboardFunc( keyboard );
void keyboard (unsigned char key, int x, int y)
{
switch ( key ) {
case ‘q’ :
case ‘Q’ :
exit ( EXIT_SUCCESS);
break;
case ‘r’ : case ‘R’ :
rotate = GL_TRUE;
break;

}

Idle Callback
负责完成动画生成或者需要持续更新的功能；
glutIdleFunc( Idle );
void idle (void )
{
//发出重绘指令，display()将再次调用
//glutPostRedisplay();
}

元的概念和分类
几何图元——点、直线段、多边形
非几何图元——位图、像素图

几何图元及属性
10种不同类型几何图元都具有不同的顶点装配方式；
线的点划模式、多边形的绘制模式与拣选特性；
几何图元的两种着色方式

几何图元：几何图元都是由顶点(Vertex)集合来定义的
图元属性——决定了OpenGL显示图元的方式
颜色属性、线宽、填充模式、材质属性、…
glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
glBegin(GL_POLYGON);
glVertex2f(-0.5, -0.5);
glVertex2f(-0.5, 0.5);
glVertex2f(0.5, 0.5);
glVertex2f(0.5, -0.5);
glEnd();
图元属性——OpenGL将图元属性作为OpenGL状态的一部分

图元绘制方法
图元绘制格式
glBegin( primType );
...
glEnd();
primType——图元类型（说明顶点如何构造成图元）

例子：
GLfloat red, greed, blue; //顶点颜色
GLfloat P[8][2]; //二维顶点P0-P7的位置
……
glBegin( primType );
for (int i = 0; i < 8; ++i ) {
glColor3f( red, green, blue );
glVertex2fv( P[i] );
}
glEnd();

绘制点
GL_POINTS
属性：颜色、尺寸（大小）void glPointSize(GLfloat size)
例子
glPointSize(2.0);
glBegin(GL_POINTS)
glColor3f(1.0,1.0,1.0);
glVertex2f(-0.5,-0.5);
glColor3f(1.0,0.0,0.0);
glVertex2f(-0.5,0.5);
glColor3f(0.0,0.0,1.0);
glVertex2f(0.5,0.5);
glColor3f(0.0,1.0,0.0);
glVertex2f(0.5,-0.5);
glEnd()

glPointSize()命令不能放置于glBegin()和glEnd()之间

在glBegin()和glEnd()之间的有效函数：
glVertex*()
glColor*()
glIndex*()
glNormal*()
glTexCoord*()
glEdgeFlag*()
glMaterial*()
glArrayElement
glCalllist()

绘制直线段
GL_LINES、 GL_LINE_STRIP、 GL_LINE_LOOP
属性：颜色、线宽、（点划）模式
void glLineWidth(GLfloat width)
void glLineStipple(GLint factor, GLushort pattern)

glColor3f(1.0,1.0,1.0);
glEnable(GL_LINE_STIPPLE)
glLineWidth(2.0);
glLineStipple(3,0xcccc);
glBegin(GL_LINES)
glVertex2f(-0.5,-0.5);
glVertex2f(-0.5,0.5);
glEnd()

glLineWidth()、glLineStipple()命令不能放置于glBegin()和glEnd()之间
在使用glLineStipple()之前需要先启用”直线的点划模式“特性：glEnable(GL_LINE_STIPPLE)

绘制多边形
多边形属性
GL_POLYGON、GL_TRIANGLES、 GL_TRIANGLE _STRIP、GL_TRIANGLE _FAN、GL_QUADS、 GL_QUAD_STRIP
属性：颜色、绘制模式、裁剪特性、（点划）模式
void glPolygonMode(GLenum face、GLenum mode)
void glCullFace(GLenum mode)
void glPolygonStipple(const GLubyte* mask)

多边形具有两个面：正面和反面
正面和反面的区分：沿着观察方向看，多边形顶点的绕序相反
正、反面与多边形顶点绕向的绑定
void glFrontFace(GLenum mode)
mode——GL_CCW、GL_CW
默认正面和反面
正面——逆时针方向
反面——顺时针方向

绘制模式——命令OpenGL对多边形进行单面或双面绘制
void glPolygonMode(GLenum face、GLenum mode)
face——GL_FRONT_AND_BACK、GL_FRONT、GL_BACK
mode——GL_POINT、GL_LINE、GL_FILL
默认绘制模式——正面、反面都以填充模式画出
裁剪特性——命令OpenGL舍弃哪个面的多边形
void glCullFace(GLenum mode)
mode——GL_FRONT、GL_BACK、 GL_FRONT_AND_BACK
使用裁剪特性时需要手动开启
glEnable(GL_CULL_FACE)
glDisable(GL_CULL_FACE)

着色模式
几何图元的着色方式：
平滑模式（Smooth Model)：使用顶点颜色进行插值
平面模式（Flat Model）：用一个顶点的颜色确定整体图元的颜色
着色模式——是否使用插值模式对线或多边形进行着色
void glShadeModel(GLenum mode)
mode——GL_SMOOTH、GL_FLAT
默认着色模式——GL_SMOOTH

查询与错误

第三章 交互与动画

GLUT对用户与OpenGL之间交互的支持
响应用户事件
调整窗口大小
显示
动画
键盘、鼠标
…
为改变渲染对象和修改OpenGL状态提供场所
灵活运用GLUT回调函数（Display Callback、Reshape Callback、Idle Callback、 Keyboard Callback、 Mouse Callback、 Motion Callback）

GLUT对动画的支持
双缓存机制
GLUT回调函数
Idle Callback
Display Callback
Keyboard Callback
Mouse Callback
…
显示列表——使用步骤
申请索引标识
定义显示列表
执行显示列表

由状态控制的渲染管线（绘制流水线）

OpenGL几何变换（转换）
OpenGL绘图

OpenGL绘图过程的数学建模

用户与OpenGL的交互
提交输入对象的图元
定制OpenGL状态机中的各种状态
动画
改变对象
修改OpenGL状态
用户与OpenGL的交互的目的——改变渲染图像
改变渲染图像途径
改变渲染对象本身
修改OpenGL状态

GLUT对用户与OpenGL之间交互的支持 回调函数
响应用户事件
创建窗口
调整窗口大小
显示
动画（刷新）
键盘、鼠标
…
为改变渲染对象和修改OpenGL状态提供场所

单缓存与双缓存
单缓存——设置一个缓存同时完成两个职责
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB)
glFlush() ;

单缓存与动画——产生闪烁（Flickering）
原因：显示硬件显示的图像不完整

单缓存方式只用于静态场景的生成和显示

双缓存——设置两个缓存分别完成两个职责
优点：能够保证显示硬件显示图像的完整性
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB),
glutSwapBuffers() ——交换前台、后台缓存

显示列表
立即模式 VS 保留模式
立即模式（Immediate Mode）
图元被发送到绘图流水线后将立即显示
无额外内存消耗

保留模式（Retained Mode）
图元被放置于显示列表中
显示列表保存在图形服务器中
显示列表能够以不同的状态被重复利用来显示
显示列表能够在OpenGL图形上下文中共享
显示列表——创建
为一个或多个显示列表申请索引标识(id)
GLuint glGenLists(GLsizei n)
申请n个连续索引用于标识新显示列表，并返回第一个索引值
索引(id)——大于零的整数、用于唯一地标识显示列表
显示列表的定义
void glNewList(GLuint id, GLenum mode)
mode——GL_COMPILE、 GL_COMPILE_AND_EXECUTE
void glEndList()

一次执行一个显示列表
void glCallLIst(GLuint id)
一次执行多个显示列表
void glListBase(GLuint base)
base——设置glCallList使用的偏移量，默认为0
void glCallList(GLsizei num, GLenum type, GLvoid * lists)
num、type、lists——依据存储在类型为type的数组lists中的索引整数值(IDs)执行num个显示列表
type——GL_BYTE、GL_UNSIGNED_BYTE、
GL_SHORT、GL_UNSIGNED_SHORT、
GL_INT、GL_UNSIGNED_INT

例子：
创建单个显示列表
GLuint id;
void init( void )
{
id = glGenLists( 1 );
glNewList( id, GL_COMPILE );
/* other OpenGL routines */
...
glEndList();
}
执行单个显示列表
void display( void )
{
glCallList( id );
}
创建多个显示列表

GLuint base;
void init( void ){
base = glGenLists( 10 );
glNewList( base, GL_COMPILE );
...
glEndList();
glNewList( base + 1, GL_COMPILE );
...
glEndList();
.
.
.
glNewList( base + 9, GL_COMPILE );
...
glEndList();
}

执行多个显示列表

GLubyte lists[] = { 1,3,6,8 };

void display( void )
{
...
glListBase( base );

glCallLists( 4, GL_UNSIGNED_BYTE, lists );
...
}

选择与拾取
5.1 绘制模式
5.2 选择模式
5.3 拾取完整程序
5.4 总结

5.1 绘制模式
绘制模式——绘制场景中图元的方法

OpenGL选择机制是由图元的绘制过程实现的
OpenGL的绘制过程不一定会产生用于显示的图像
渲染模式和选择模式是互相独立的
OpenGL流水线同时只能处于一种绘制模式

5.1 绘制模式
OpenGL选择机制——结合两种模式
首先进入渲染模式将场景绘制到帧缓存
然后进入选择模式重画场景

5.2 选择模式与拾取操作
选择模式——确定哪些图元位于视域体内的一种方法
拾取操作（Picking）——选择模式下的一种特殊应用
产生：一般由鼠标设备激发，并在屏幕上定义出拾取区域
过程：由拾取区域产生虚拟的视域体，并与虚拟三维场景中“感兴趣单元”求交
结果：一些命中记录，描述了哪些“感兴趣单元”被选中了

拾取（Picking）——确定哪些几何对象绘制后覆盖了鼠标选择的像素或拾取区域

5.2.2 拾取方法
我们的工作
选择模式——如何切换？何时开始？何时结束？
拾取区域——如何定义？如何提交？
“感兴趣的单元”——如何定义？如何提交？
名称堆栈
选择缓存——如何定义？如何提交？

选择模式çè渲染模式
GLint glRenderMode(GLenum mode)
mode——GL_SELECT（选择模式）、
GL_RENDER(绘制到颜色缓存）（默认）
举例：
从当前模式转换到选择模式
glRenderMode(GL_SELECT)；
从当前模式转换到渲染模式
glRenderMode(GL_RENDER)；
注意：从选择模式转换到渲染模式时，命中记录才会真正写入到选择缓存中

选择模式何时开始，何时结束？
.glutMouseFunc( mouse ); //注册鼠标事件回调函数

void mouse( int button, int state, int x, int y ){
GLint hits; //命中记录的个数
.
.
.
glRenderMode(GL_SELECT); //---- 选择模式开始
.
.
.
hits = glRenderMode (GL_RENDER); //----选择模式结束

(2) 拾取区域
拾取区域如何定义，如何提交？
void mouse( int button, int state, int x, int y ){
GLint hits;
GLint viewport[4]; //保存当前视口的位置和大小
glGetIntegerv (GL_VIEWPORT, viewport);//获得当前视口

glRenderMode(GL_SELECT);//----选择模式开始
.
.
.
gluPickMatrix ((GLdouble) x, (GLdouble)
(viewport[3] - y), 5.0, 5.0, viewport); //提交拾取区域
.
.
.
hits = glRenderMode (GL_RENDER);//----选择模式结束

在拾取点附近定义拾取区域
void gluPickMatrix(GLdouble x, GLdouble y, Gldouble w, GLdouble h, GLint *vp)
在由vp指向的视口中定义了一个以窗口坐标（x，y）为中心的w×h子区域，即拾取区域
根据拾取区域该函数创建一个用于拾取的投影矩阵用于定义用于求交的虚拟视域体
运行时如何获得视口？
GLint viewport[4];
glGetIntegerv (GL_VIEWPORT, viewport);
注意：OpenGL中的窗口/视口坐标系和鼠标回调函数的屏幕坐标系是不同的。
gluPickMatrix ( (GLdouble) x, (GLdouble) (viewport[3] - y), 5.0, 5.0, viewport);

(3) “感兴趣单元”
什么是“感兴趣单元”？
——场景中有可能被选中的单个图元或一组图元
如何定义“感兴趣单元”？——赋予其唯一的名称
名称是一个整数（序列），不是一个字符串
“单元”就是具有名称的单个图元，或具有相同名称的图元集合
如何提交“感兴趣单元”？——在选择模式下将带名称的“单元”重新绘制一遍
名称从何而来？——名称堆栈

void mouse( int button, int state, int x, int y ){
.
.
.
glRenderMode(GL_SELECT);//---- ②
glInitNames();
glPushName(0);
.
.
.
gluPickMatrix ((GLdouble) x, (GLdouble) (viewport[3] - y), 5.0, 5.0, viewport); //---- ③
.
.
.
drawObjects();
hits = glRenderMode (GL_RENDER);//---- ⑤

“感兴趣的单元”的定义和提交
void drawObjects( )
{
glLoadName(1);
glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
glRectf(-0.5, -0.5, 1.0, 1.0); //名称？

glLoadName(2);
glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
glRectf(-1.0, -1.0, 0.5, 0.5); //名称？
}

(4) 名称堆栈
名称堆栈是由OpenGL内部维护的数据结构，用户可以通过4个函数来操作该堆栈
初始化名称堆栈
void glInitNames()
将名称压入名称堆栈
void glPushName(GLuint name)
将栈顶名称从名称堆栈中弹出
void glPopName()
用给定名称取代堆栈中的栈顶名称
void glLoadName(GLuint name)

名称堆栈中各单元都是整形
“感兴趣单元”的名称何时获得？
——绘制各“单元”时刻名称堆栈中的名称列表
举例1：
glInitNames();
glPushName(0); //Why?

glLoadName(1);
drawAObject(); // A’s name?
glLoadName(2);
drawBObject(); // B’s name?
glLoadName(3);
drawCObject(); // C’s name?
drawDObject(); // D’s name?

(5) 选择缓存
选择缓存——如何定义？如何提交？如何分析和处理？
void mouse( int button, int state, int x, int y ){
GLint hits; //命中记录个数
GLuint selectBuf[SIZE]; //内存中分配选择缓存空间
.
.
.
glSelectBuffer (SIZE, selectBuf); //提交选择缓存
glRenderMode(GL_SELECT);//----选择模式开始
.
.
.
hits = glRenderMode (GL_RENDER);//----选择模式结束
processHits (hits, selectBuf); //分析和处理选择缓存
.
.
.
}

选择缓存（命中记录缓存）
——保存一个或多个命中记录
向OpenGL注册选择缓存（命中记录缓存）
void glSelectBuffer(GLsizei n, GLuint * buff)
选择缓存什么时候有效？
——当从选择模式切换回渲染模式后
选择缓存中的命中记录个数？
——glRenderMode()的返回值hits
分析和处理选择缓存中的命中记录

选择缓存的数据结构

选择缓存的分析和处理
void processHits (GLint hits, GLuint buffer[]){
unsigned int i, j;
GLint ii, jj, names, *ptr;

printf ("hits = %d\n", hits);
ptr = (GLint *) buffer;
for (i = 0; i < hits; i++) {/* for each hit */
names = *ptr;
ptr += 3; // Why？
for (j = 0; j < names; j++){/*for each name*/
if(*ptr==1) printf ("red rectangle\n");
else printf ("blue rectangle\n");
ptr++;
}
printf ("\n"); } }

拾取——完整程序
glutMouseFunc( mouse );

void mouse( int button, int state, int x, int y ){
GLuint selectBuf[SIZE];
GLint hits;
GLint viewport[4];

if (button != GLUT_LEFT_BUTTON ||
state != GLUT_DOWN) return;
glGetIntegerv (GL_VIEWPORT, viewport);

glSelectBuffer (SIZE, selectBuf); //---- ①
glRenderMode(GL_SELECT);//---- ②

glInitNames();
glPushName(0);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glPushMatrix ();
glLoadIdentity ();

/* create 5x5 pixel picking region near cursor location */
gluPickMatrix ((GLdouble) x, (GLdouble) (viewport[3] - y), 5.0, 5.0, viewport); //---- ③

/*gluPerspective or glOrtho or other projection*/
gluOrtho2D (-2.0, 2.0, -2.0, 2.0);

/* draw something */
drawObjects(GL_SELECT); //---- ④
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glPopMatrix ();
glFlush ();

hits = glRenderMode (GL_RENDER);//---- ⑤
processHits (hits, selectBuf); //---- ⑥

glutPostRedisplay();

}

void display()
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
drawObjects(GL_RENDER);
glFlush();
}

void drawObjects(GLenum mode)
{
if(mode == GL_SELECT) glLoadName(1);
glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
glRectf(-0.5, -0.5, 1.0, 1.0);
if(mode == GL_SELECT) glLoadName(2);
glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
glRectf(-1.0, -1.0, 0.5, 0.5);
}

void processHits (GLint hits, GLuint buffer[]){
unsigned int i, j;
GLint ii, jj, names, *ptr;

printf ("hits = %d\n", hits);
ptr = (GLint *) buffer;
for (i = 0; i < hits; i++) {/* for each hit */