第一个OpenGL程序

一、OpenGL简介

• OpenGL基本函数库用来描述图元、属性、几何变换、观察变换和进行多种其它操作。
• OpenGL是一个开放式的、与硬件无关的软件包。因此输入和输出函数等操作均不包含在其基本库中。但在OpenGL开发的辅助库中有输入和输出函数以及众多附加函数。
• OpenGL是一个专业的、功能强大的、调用方便的底层三维图形函数库。
• OpenGL是一个图形与硬件的接口。

二、OpenGl语法

OpenGl基本库（核心库）中的函数都要以gl为前缀。并把组成函数的每个单词首字母用大写形式表示。例如

glClear,glPolygonMode

OpenGL中的常量均以大写字母GL开头，命名中每一个组成单词均大写，中间用_隔开。例如

GL_RGB,GL_POLYGON

不同机器上整数描述范围可能不同，OpenGL有专门的数据类型。如下

后缀	数据类型	典型的对应C语言类型	OpenGL类型定义
b	8位整数	signed char	GLbyte
s	16位整数	short	GLshort
i	32位整数	int or long	GLint,GLsizei
f	32位浮点数	float	GLfloat,GLclampf
d	64位浮点数	double	GLdouble,GLclampd
ub	8位无符号整数	unsigned char	GLubyte,GLboolean
us	16位无符号整数	unsigned short	GLushort
ui	32位无符号整数	unsigned int or unsigned long	GLuint,GLenum,GLbitfield

OpenGL的库函数采用C语言风格，他们分别属于以下不同的库。

• OpenGL核心库，函数名前缀gl。
• OpenGL实用库，函数名前缀glu。
• OpenGL辅助库，函数名前缀aux。
• OpenGL工具库，函数名前缀glut。
• Windows专用库，函数名前缀wgl。
• Win32 API 函数库。

三、第一个OpenGL程序

首先一步步来创建我们的第一个OpenGL程序：在窗口中画一条线段。我们使用GLUT进行显示窗口管理。当使用OpenGL实用库时，首先要初始化GLUT，该初始化函数可以处理任何命令行变量，这里先不使用命令行参数。

glutInit(&argc, argv);

接着创建一个窗口并给出标题。

gultCreateWindow("LearnOpenGL example");

尽管窗口有默认位置和大小，但是还可以使用glut函数来设置这些参数。例如

glutInitWindowPosition(50,100);

上面代码指定显示窗口左上角应在屏幕左边界向右50个像素、屏幕上边界向下100个像素。

glutInitWindonSize(800,600);

上面代码指定宽度为800像素，高度为600像素的显示窗口。还可以使用gultInitDisplayMode函数来显示窗口和缓存和颜色模型。如下面使用单个缓存和RGB三原色组成的模型。

glutInitDisplayMode(GULT_SINGLE|GLUT_RGB);

可以使用RGB颜色设置显示窗口的背景颜色。使用函数

glClearColor(1.0,1.0,1.0,0.0);

上面代码将背景颜色设置为白色，四个参数是(RGBA),分别表示红、绿、蓝、以及调和参数，(A=0.0)表示完全透明，(A=1.0)表示完全不透明。这里先不仔细讨论这个参数。实验中我们将背景颜色设置为类似于黑板的颜色。

尽管上述命令将颜色参数赋给了窗口，但是不能让显示窗口在屏幕上出现。还必须引入下面函数

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

变量GL_COLOR_BUFFER_BIT是OpenGL常量，用它来指定颜色缓存的位值。除了显示背景色，还可以为要显示的场景中的数据显示各种颜色。

glColor3f(0.0,0.4,0.2);

上面指定的三个分量就是RGB值。我们的第一个程序是显示一条二维的线段，但是OpenGL是默认处理3维的，二维线段是三维的特例，但是OpenGL还是采用三维观察来处理这个图形。用函数

glMatrixMode(GL_PROJECTTION);
gluOrtho2D(0.0,200.0,0.0,150.0);

表示用正投影观察将世界坐标系2维矩形区域映射到屏幕上，矩形区域上(x)范围从(0-200.0),(y)范围为(0-150.0)。完整程序

在OpenGL中，我们利用顶点来定义图形系统可以识别的基本几何图元。OpenGL中许多函数都有多重形式，顶点函数的形式为glVertex*(),*号表示诸如nt、ntv之类的，(n)代表维数，(t)表示数据类型，(v)表示变量由指向一个数组的指针来给出。例如在2维坐标中画一个点:glVertex2f(50.0f,100.0f);表示在二维坐标系中位置为((50,100))处化一个点，点的数据类型是GLfloat，而下面形式用整数类型确定了三维空间的一个位置

glVertex3i(GLint x, GLint y,GLint z);

如果利用数组来表示三维点的信息GLint vertex[3];, 那么可以使用

glVertex3iv(vertex);

顶点可以定义很多位置的几何图元。下面是在窗口中画一条线段的完整程序。

#include <GL/glut.h>
#include <iostream>

using namespace std;

void lineSegment()
{
	// clear display-window
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
	// set linesegment color to red
	glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
   // Create linesigment
	glBegin(GL_LINES);
		glVertex2i(0, 0);
		glVertex2i(50, 500);
	glEnd();

	glFlush();
}

int main(int argc, char **argv)
{
	// Initialize GLUT
	glutInit(&argc, argv);
	// Set display model
	glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
	// Set window position
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	// Set Display window size
	glutInitWindowSize(800, 600);
	//create aw window
	glutCreateWindow("LearnOpenGL example");

	// ====================================================================
	// Set display-window color
	glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
	// set projection parameters
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	gluOrtho2D(0.0, 200.0, 0.0, 200);

	// display line
	glutDisplayFunc(lineSegment);
	glutMainLoop();
	return 0;
}

OpenGL利用下面形式来定义几何对象

glBegin(type);
	glVertex*();
	...
	...
	glVertex*();
glEnd();

参数type指定OpenGL把顶点组合起来定义几何对象的方式。OpenGL提供了多种类型的点和线段图元

• 点（GL_POINTS） 每个顶点被显示的大小至少是一个像素。
• 线段（GL_LINES） 图元把相继的顶点配对后解释为线段的两个端点。注意顶点时两两配对处理的，所以如果有奇数个点，最后一个点由于无法配对，将会被舍弃。
• 折线（GL_LINE_STRIP，GL_LINE_LOOP） 使用这两个参数表示用线段将相邻两个点相连，而后者还将最后一个点与第一个点相连从而形成闭环。可以看经典教材《计算机图形学（第四版）》的(P_{39})页更形象。

在绘制图元时，在应用程序结束后，可能我们还没来得及看到输出窗口就消失了。目前可以使用GLUT函数

void glutMainLoop();

这个函数执行会让程序进入一个事件处理循环。如果没有事件需要处理，程序会处于等待状态，直到通过某种外部方式来终止程序的执行，比如按下Ctrl+C。

图形是通过一个称为显示回调（display callback）的函数发送到屏幕上的。这个函数通过下面的GLUT函数指定并注册（register）到窗口系统：

void glutDisplayFunc(void (*func)(void));

只要窗口系统确定OpenGL窗口需要重新绘制，上面指定的func函数就会被调用。

四、动手实现二维Sierpinski镂垫程序

Sierpinski镂垫是一个有趣的图形。我们先来尝试绘制二维的Sierpinski镂垫图形，初始给出一个三角形ABC，步骤如下：

1. 在三角形中随机选择一个初始点(p(x,y)).
2. 随机选择三个顶点之一。
3. 求点(p)与第二步中选择的三角形顶点的中点并将该点画出来。
4. 更新该点为点(p)
5. 转步骤2

我们假定循环5000次，然后看看最终的效果是什么。将主程序写成函数display(),先给出代码和效果，然后再对程序进行分析。

#include <GL/glut.h>
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;


void Init()
{
	glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
	glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);

	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	gluOrtho2D(0.0, 100.0, 0.0, 100.0);
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}

void Display()
{
	GLfloat vertices[3][2] = { {10.0,10.0},{90.0,10.0},{50.0, 70.0} };
	int i, j, k;
	GLfloat p[2] = { 75.0,75.0 };
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
	glBegin(GL_POINTS);
	for (int i = 0; i < 5000; i++)
	{
		int j = rand() % 3;
		p[0] = (vertices[j][0] + p[0]) / 2;
		p[1] = (vertices[j][1] + p[1]) / 2;
		glVertex2fv(p);
	}
	glEnd();
	glFlush();
}

int main(int argc, char **argv)
{
	// Initialize GLUT
	glutInit(&argc, argv);
	// Set display model
	glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
	// Set window position
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	// Set Display window size
	glutInitWindowSize(800, 600);
	//create aw window
	glutCreateWindow("LearnOpenGL example");

	// ====================================================================
	// Set display-window color
	
	// display Cycle
	glutDisplayFunc(Display);

	Init();
	glutMainLoop();

	return 0;
}

Init()函数包括了必要的初始化步骤。主要看display()函数,我们首先定义了三角形的三个顶点存放在vertices[]数组中，然后在三角形内部随机选取了一个点p,接着就开始画点了，循环5000次，这个过程中，我们使用了rand()函数来随机选择一个三角形的顶点。而最终显示，这些点收敛的很有规律。