首页>汽车>银河0076网址|万字长文详解如何用Python玩转OpenGL | CSDN 博文精选
2020-01-11 15:36:57

银河0076网址|万字长文详解如何用Python玩转OpenGL | CSDN 博文精选

银河0076网址|万字长文详解如何用Python玩转OpenGL | CSDN 博文精选

银河0076网址,作者 | 天元浪子

来源 | csdn博文精选

【编者按】opengl(开放式图形库),用于渲染 2d、3d 矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口,c、c++、python、java等语言都能支持 opengl。本文作者以 python 语法为例,用两万字详解 opengl 的理论知识、用法与实际操作,干货满满,一起来看看吧。

预备知识

opengl 是 open graphics library 的简写,意为“开放式图形库”,是用于渲染 2d、3d 矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口(api)。opengl 不是一个独立的平台,因此,它需要借助于一种编程语言才能被使用。c / c++ / python / java 都可以很好支持 openggl,我当然习惯性选择 python 语言。

如果读者是 python 程序员,并且了解 numpy,接下来的阅读应该不会有任何障碍;否则,我建议先花半小时学习一下 python 语言。关于 python ,可以参考我的另一篇博文《数学建模三剑客msn》。事实上,我觉得 python 语言近乎于自然语言,只要读者是程序员,即便不熟悉 python ,读起来也不会有多大问题。

另外,读者也不必担心数学问题。使用 opengl 不需要具备多么高深的数学水平,只要能辅导初中学生的数学作业,就足够用了。

一、坐标系

在 opengl 的世界里,有各式各样的坐标系。随着对 opengl 概念的理解,我们至少会接触到六种坐标系,而初始只需要了解其中的三个就足够用了(第一次阅读这段话的时候,只需要了解世界坐标系就可以了)。

世界坐标系(world coordinates)

世界坐标系是右手坐标系,以屏幕中心为原点(0, 0, 0),且是始终不变的。

视点坐标系(eye or camera coordinates)

视点坐标是以视点为原点,以视线的方向为z+轴正方向的坐标系。opengl 管道会将世界坐标先变换到视点坐标,然后进行裁剪,只有在视线范围(视景体)之内的场景才会进入下一阶段的计算。

屏幕坐标系(window or screen coordinates)

opengl 的重要功能之一就是将三维的世界坐标经过变换、投影等计算,最终算出它在显示设备上对应的位置,这个位置就称为设备坐标。在屏幕、打印机等设备上的坐标是二维坐标。值得一提的是,opengl 可以只使用设备的一部分进行绘制,这个部分称为视区或视口(viewport)。投影得到的是视区内的坐标(投影坐标),从投影坐标到设备坐标的计算过程就是设备变换了。

二、投影

三维场景中的物体最终都会显示在类似屏幕这样的二维观察平面上。将三维物体变为二维图形的变换成为投影变换。最常用的投影有两种:平行投影和透视投影。如下图所示,f 是投影面,p1p2 为三维空间中的一条直线,p’1 和 p’2 分别是 p1 和 p2 在 f 上的投影,虚线表示投影线,o 为投影中心。

平行投影

这里所说的平行投影,特指正交平行投影——投影线垂直于投影面。将一个三维点 (x,y,z) 正交平行投影到 xoy 平面上,则投影点坐标为 (x,y,0)。由于平行投影丢弃了深度信息,所以无法产生真实感,但可以保持物体之间相对大小关系不变。

透视投影

透视投影将投影面置于观察点和投影对象之间,距离观察者越远的物体,投影尺寸越小,投影效果具有真实感,常用于游戏和仿真领域。

三、视景体

无论是平行投影还是透视投影,投影成像都是在投影面上——我们可以把投影面理解成显示屏幕。世界坐标系描述的三维空间是无限的,投影平面是无限的,但(我们能够看到的)屏幕面积总是有限的,因此在投影变换时,通常只处理能够显示在屏幕上的那一部分三维空间。从无限三维空间中裁切出来的可以显示在屏幕上的部分三维空间,我们称之为视景体。视景体有六个面,分别是左右上下和前后面。

对于平行投影而言,视景体是一个矩形平行六面体;对于透视投影来说,视景体是一个棱台。理解这一点并不难:因为越远处的物体在投影窗口的透视投影越小,也就意味着填满投影窗口需要更大的体量,视景体自然就变成了棱台。

四、视口

对于平行投影而言,视口就是由视景体的左右上下四个面围成的矩形,对于透视投影来说,视口就是视景体的前截面在投影窗口上的透视投影。

视口是 opengl 中比较重要的概念,现阶段可以简单理解成屏幕(或其他输出设备)。事实上,视口和屏幕是相关但又不相同的,屏幕有固定的宽高比,而视口大小可以由用户自行定义。通常,为了适应不同宽高比的屏幕,在设置视口时,会根据屏幕宽高比调整视景体(增加宽度或高度)。

五、视点

现实生活中,人们看到的三维空间物体的样子取决于观察者站在什么角度去看。这里面包含着三个概念:

观察者的位置:眼睛在哪儿?

观察者的姿势:站立还是倒立?左侧卧还是右侧卧?

观察对象:眼睛盯着哪里?

对应在 opengl 中,也有同样的概念,即视点的位置、瞄准方向的参考点,以及(向上的)方向。

六、opengl 变换

下图是三维图形的显示流程。世界坐标系中的三维物体经过视点变换和一系列几何变换(平移、旋转、缩放)之后,坐标系变换为视点坐标系;经过投影和裁剪之后,坐标系变换为归一化设备坐标系;最后经过视口变换显示在屏幕上,相应地,坐标系变成了窗口坐标系。

视点变换:相当于设置视点的位置和方向

模型变换:包括平移、旋转、缩放等三种类型

裁剪变换:根据视景体定义的六个面(和附加裁剪面)对三维空间裁剪

视口变换:将视景体内投影的物体显示在二维的视口平面上

安装 pyopengl

如果想当然地使用 pip 如下所示安装,可能会有一些麻烦。

pip install pyopengl

当我这样安装之后,运行 opengl 代码,得到了这样的错误信息:

functionerror: attempt to call an undefined function glutinit, check for bool(glutinit) before calling

原来,pip 默认安装的是32位版本的pyopengl,而我的操作系统是64位的。建议点击这里下载适合自己的版本,直接安装.whl文件。我是这样安装的:

opengl 库及函数简介

我第一次接触 opengl 的 gl / glu / glut 的时候,一下就被这些长得像孪生兄弟的库名字给整懵圈了,要不是内心强大,也许就跟 opengl 说再见了。时间久了才发现,opengl 的库及函数命名规则非常合理,便于查找、记忆:

opengl函数的命名格式如下:

<库前缀><根命令><可选的参数个数><可选的参数类型>

常见的库前缀有 gl、glu、glut、aux、wgl、glx、agl 等。库前缀表示该函数属于 opengl 哪一个开发库。从函数名后面中还可以看出需要多少个参数以及参数的类型。i 代表 int 型,f 代表 float 型,d 代表 double 型,u 代表无符号整型。例如 glcolor3f 表示了该函数属于gl库,参数是三个浮点数。

opengl 函数库相关的 api 有核心库(gl)、实用库(glu)、实用工具库(glut)、辅助库(aux)、窗口库(glx、agl、wgl)和扩展函数库等。gl是核心,glu是对gl的部分封装。glut是为跨平台的opengl程序的工具包,比aux功能强大。glx、agl、wgl 是针对不同窗口系统的函数。扩展函数库是硬件厂商为实现硬件更新利用opengl的扩展机制开发的函数。本文仅对常用的四个库做简单介绍。

一、opengl 核心库 gl

核心库包含有115个函数,函数名的前缀为gl。这部分函数用于常规的、核心的图形处理。此函数由gl.dll来负责解释执行。由于许多函数可以接收不同数以下几类。据类型的参数,因此派生出来的函数原形多达300多个。核心库中的函数主要可以分为以下几类函数:

绘制基本几何图元的函数:

glbegain、glend、glnormal*、glvertex*

矩阵操作、几何变换和投影变换的函数:

如矩阵入栈函数glpushmatrix,矩阵出栈函数glpopmatrix,装载矩阵函数glloadmatrix,矩阵相乘函数glmultmatrix,当前矩阵函数glmatrixmode和矩阵标准化函数glloadidentity,几何变换函数gltranslate*、glrotate*和glscale*,投影变换函数glortho、glfrustum和视口变换函数glviewport

颜色、光照和材质的函数:

如设置颜色模式函数glcolor*、glindex*,设置光照效果的函数gllight* 、gllightmodel*和设置材质效果函数glmaterial

显示列表函数:

主要有创建、结束、生成、删除和调用显示列表的函数glnewlist、glendlist、glgenlists、glcalllist和gldeletelists

纹理映射函数:

主要有一维纹理函数glteximage1d、二维纹理函数glteximage2d、设置纹理参数、纹理环境和纹理坐标的函数gltexparameter*、gltexenv*和gltetcoord*

特殊效果函数:

融合函数glblendfunc、反走样函数glhint和雾化效果glfog*

光栅化、象素操作函数:

如象素位置glrasterpos*、线型宽度gllinewidth、多边形绘制模式glpolygonmode,读取象素glreadpixel、复制象素glcopypixel

选择与反馈函数:

主要有渲染模式glrendermode、选择缓冲区glselectbuffer和反馈缓冲区glfeedbackbuffer

曲线与曲面的绘制函数:

生成曲线或曲面的函数glmap*、glmapgrid*,求值器的函数glevalcoord* glevalmesh*

状态设置与查询函数:

glget*、glenable、glgeterror

二、opengl 实用库 glu

包含有43个函数,函数名的前缀为glu。opengl提供了强大的但是为数不多的绘图命令,所有较复杂的绘图都必须从点、线、面开始。glu 为了减轻繁重的编程工作,封装了opengl函数,glu函数通过调用核心库的函数,为开发者提供相对简单的用法,实现一些较为复杂的操作。此函数由glu.dll来负责解释执行。opengl中的核心库和实用库可以在所有的opengl平台上运行。主要包括了以下几种:

辅助纹理贴图函数:

gluscaleimage 、glubuild1dmipmaps、glubuild2dmipmaps

坐标转换和投影变换函数:

定义投影方式函数gluperspective、gluortho2d 、glulookat,拾取投影视景体函数glupickmatrix,投影矩阵计算gluproject和gluunproject

多边形镶嵌工具:

glunewtess、gludeletetess、glutesscallback、glubeginpolygon、glutessvertex、glunextcontour、gluendpolygon

二次曲面绘制工具:

主要有绘制球面、锥面、柱面、圆环面glunewquadric、glusphere、glucylinder、gludisk、glupartialdisk、gludeletequadric

非均匀有理b样条绘制工具:

主要用来定义和绘制nurbs曲线和曲面,包括glunewnurbsrenderer、glunurbscurve、glubeginsurface、gluendsurface、glubegincurve、glunurbsproperty

错误反馈工具:

获取出错信息的字符串gluerrorstring

三、opengl 工具库 glut

包含大约30多个函数,函数名前缀为glut。glut是不依赖于窗口平台的opengl工具包,由mark klilgrad在sgi编写(现在在nvidia),目的是隐藏不同窗口平台api的复杂度。函数以glut开头,它们作为aux库功能更强的替代品,提供更为复杂的绘制功能,此函数由glut.dll来负责解释执行。

由于glut中的窗口管理函数是不依赖于运行环境的,因此opengl中的工具库可以在x-window、windows nt、os/2等系统下运行,特别适合于开发不需要复杂界面的opengl示例程序。对于有经验的程序员来说,一般先用glut理顺3d图形代码,然后再集成为完整的应用程序。这部分函数主要包括:

窗口操作函数:

窗口初始化、窗口大小、窗口位置函数等 glutinit、glutinitdisplaymode、glutinitwindowsize、glutinitwindowposition

回调函数:

响应刷新消息、键盘消息、鼠标消息、定时器函数 glutdisplayfunc、glutpostredisplay、glutreshapefunc、gluttimerfunc、glutkeyboardfunc、glutmousefunc

创建复杂的三维物体:

这些和aux库的函数功能相同。

菜单函数:

创建添加菜单的函数 glutcreatemenu、glutsetmenu、glutaddmenuentry、glutaddsubmenu 和 glutattachmenu

程序运行函数:

glutmainloop

四、windows 专用库 wgl

针对windows平台的扩展,包含有16个函数,函数名前缀为wgl。这部分函数主要用于连接opengl和windows ,以弥补opengl在文本方面的不足。windows专用库只能用于windows环境中。这类函数主要包括以下几类:

绘图上下文相关函数:

wglcreatecontext、wgldeletecontext、wglgetcurrentcontent、wglgetcurrentdc、wgldeletecontent

文字和文本处理函数:

wglusefontbitmaps、wglusefontoutlines

覆盖层、地层和主平面层处理函数:

wglcopycontext、wglcreatelayerplane、wgldescribelayerplane、wglreakizelayerplatte

其他函数:

wglsharelists、wglgetprocaddress

开始 opengl 的奇幻之旅

一、opengl 基本图形的绘制

设置颜色

设置颜色的函数有几十个,都是以 glcolor 开头,后面跟着参数个数和参数类型。参数可以是 0 到 255 之间的无符号整数,也可以是 0 到 1 之间的浮点数。三个参数分别表示 rgb 分量,第四个参数表示透明度(其实叫不透明度更恰当)。以下最常用的两个设置颜色的方法:

glcolor3f(1.0,0.0,0.0) # 设置当前颜色为红色

glcolor4f(0.0,1.0,1.0,1.0) # 设置当前颜色为青色,不透明度

glcolor3ub(0, 0, 255) # 设置当前颜色为蓝色

glcolor 也支持将三个或四个参数以向量方式传递,例如:

glcolor3fv([0.0,1.0,0.0]) # 设置当前颜色为绿色

特别提示:opengl 是使用状态机模式,颜色是一个状态变量,设置颜色就是改变这个状态变量并一直生效,直到再次调用设置颜色的函数。除了颜色,opengl 还有很多的状态变量或模式。在任何时间,都可以查询每个状态变量的当前值,还可以用 glpushattrib 或 glpushclientattrib 把状态变量的集合保存起来,必要的时候,再用 glpopattrib 或 glpopclientattrib 恢复状态变量。

设置顶点

顶点(vertex)是 openggl 中非常重要的概念,描述线段、多边形都离不开顶点。和设置颜色类似,设置顶点的函数也有几十个,都是以 glvertex 开头,后面跟着参数个数和参数类型,同样也支持将多个以向量方式传递。两个参数的话,分别表示 xy 坐标,三个参数则分别表示 xyz 坐标。如有第四个参数,则表示该点的齐次坐标 w;否则,默认 w=1。至于什么是齐次坐标,显然超出了初中数学的范畴,在此不做探讨。

glvertex2f(1.0,0.5) # xoy平面上的点,z=0

glvertex3f(0.5,1.0,0.0) # 三维空间中的点

绘制基本图形

仅仅设置颜色和顶点,并不能画出来什么。我们可以在任何时候改变颜色,但所有的顶点设置,都必须包含在 glbegin 和 glend 之间,而 glbegin 的参数则指定了将这些顶点画成什么。以下是 glbegin 可能的参数选项:

二、第一个 opengl 程序

通常,我们使用工具库(glut)创建 opengl 应用程序。为啥不用 gl 或者 glu 库呢?画画之前总得先有一块画布吧,不能直接拿起画笔就开画。前文说过,工具库主要提供窗口相关的函数,有了窗口,就相当于有了画布,而核心库和实用库,就好比各式各样的画笔、颜料。使用工具库(glut)创建 opengl 应用程序只需要四步(当然,前提是你需要先准备好绘图函数,并给它取一个合适的名字):

初始化glut库

创建glut窗口

注册绘图的回调函数

进入glut主循环

ok,铺垫了这么多之后,我们终于开始第一个 opengl 应用程序了:绘制三维空间的世界坐标系,在坐标原点的后方(z轴的负半区)画一个三角形。代码如下:

# -*- coding: utf-8 -*-

# -------------------------------------------

# quidam_01.py 三维空间的世界坐标系和三角形

# -------------------------------------------

from opengl.gl import *

from opengl.glut import *

def draw:

# ---------------------------------------------------------------

glbegin(gl_lines) # 开始绘制线段(世界坐标系)

# 以红色绘制x轴

glcolor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为红色不透明

glvertex3f(-0.8, 0.0, 0.0) # 设置x轴顶点(x轴负方向)

glvertex3f(0.8, 0.0, 0.0) # 设置x轴顶点(x轴正方向)

# 以绿色绘制y轴

glcolor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为绿色不透明

glvertex3f(0.0, -0.8, 0.0) # 设置y轴顶点(y轴负方向)

glvertex3f(0.0, 0.8, 0.0) # 设置y轴顶点(y轴正方向)

# 以蓝色绘制z轴

glcolor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # 设置当前颜色为蓝色不透明

glvertex3f(0.0, 0.0, -0.8) # 设置z轴顶点(z轴负方向)

glvertex3f(0.0, 0.0, 0.8) # 设置z轴顶点(z轴正方向)

glend # 结束绘制线段

# ---------------------------------------------------------------

glbegin(gl_triangles) # 开始绘制三角形(z轴负半区)

glcolor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为红色不透明

glvertex3f(-0.5, -0.366, -0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为绿色不透明

glvertex3f(0.5, -0.366, -0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # 设置当前颜色为蓝色不透明

glvertex3f(0.0, 0.5, -0.5) # 设置三角形顶点

glend

# 结束绘制三角形

# ---------------------------------------------------------------

glflush # 清空缓冲区,将指令送往硬件立即执行

if __name__ == "__main__":

glutinit # 1. 初始化glut库

glutcreatewindow('quidam of opengl') # 2. 创建glut窗口

glutdisplayfunc(draw) # 3. 注册回调函数draw

glutmainloop # 4. 进入glut主循环

运行代码,我这里显示结果如下面左图所示。如果尝试运行这段代码出错的话,我猜应该是 pyopengl 安装出现了问题,建议返回到前面重读 pyopengl 的安装。

短暂的激动之后,你可能会尝试画一些其他的线段,变换颜色或者透明度,甚至绘制多边形。很快你会发现,我们的第一个程序有很多问题,比如:

窗口的标题不能使用中文,否则会显示乱码

窗口的初始大小和位置无法改变

改变窗口的宽高比,三角形宽高比也会改变(如上面右图所示)

三角形不应该遮挡坐标轴

改变颜色的透明度无效

不能缩放旋转

没关系,除了第1个问题我不知道怎么解决(貌似无解),其他问题都不是事儿。和我们的代码相比,一个真正实用的 opengl 程序,还有许多工作要做:

设置初始显示模式

初始化画布

绘图函数里面需要增加:清除屏幕及深度缓存、投影设置、模型试图设置

绑定鼠标键盘的事件函数

三、设置初始显示模式

初始化 glut 库的时候,我们一般都要用 glutinitdisplaymode 来设置初始的显示模式,它的参数可以是下表中参数的组合。

使用双缓存窗口,可以避免重绘时产生抖动的感觉。我一般选择 glut_double | glut_alpha | glut_depth 作为参数来设置初始的显示模式。

四、初始化画布

开始绘图之前,需要对画布做一些初始化工作,这些工作只需要做一次。比如:

glclearcolor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置画布背景色。注意:这里必须是4个参数

glenable(gl_depth_test) # 开启深度测试,实现遮挡关系

gldepthfunc(gl_lequal) # 设置深度测试函数(gl_lequal只是选项之一)

如有必要,还可以开启失真校正(反走样)、开启表面剔除等。

五、清除屏幕及深度缓存

每次重绘之前,需要先清除屏幕及深度缓存。这项操作一般放在绘图函数的开头。

glclear(gl_color_buffer_bit | gl_depth_buffer_bit)

六、设置投影

投影设置也是每次重绘都需要的步骤之一。glortho 用来设置平行投影,glfrustum 用来设置透视投影。这两个函数的参数相同,都是视景体的 left / right / bottom / top / near / far 六个面。

视景体的 left / right / bottom / top 四个面围成的矩形,就是视口。near 就是投影面,其值是投影面距离视点的距离,far 是视景体的后截面,其值是后截面距离视点的距离。far 和 near 的差值,就是视景体的深度。视点和视景体的相对位置关系是固定的,视点移动时,视景体也随之移动。

我个人认为,视景体是 openggl 最重要、最核心的概念,它和视口、视点、投影面、缩放、漫游等概念密切关联。只有正确理解了视景体,才能正确设置它的六个参数,才能呈现出我们期望的效果。

为了在窗口宽高比改变时,绘制的对象仍然保持固定的宽高比,一般在做投影变换时,需要根据窗口的宽高比适当调整视景体的 left / right 或者 bottom / top 参数。

假设 view 是视景体,width 和 height 是窗口的宽度和高度,在投影变换之前,需要先声明是对投影矩阵的操作,并将投影矩阵单位化:

glmatrixmode(gl_projection)

glloadidentity

if width > height:

k = width / height

glfrustum(view [0]*k, view [1]*k, view [2], view [3], view [4], view [5])

else:

k = height / width

glfrustum(view [0], view [1], view [2]*k, view [3]*k, view [4], view [5])

七、设置视点

视点是和视景体关联的概念。设置视点需要考虑眼睛在哪儿、看哪儿、头顶朝哪儿,分别对应着eye、lookat 和 eye_up 三个向量。

glulookat(

eye[0], eye[1], eye[2],

look_at[0], look_at[1], look_at[2],

eye_up[0], eye_up[1], eye_up[2]

八、设置视口

视口也是和视景体关联的概念,相对简单一点。

glviewport(0, 0, width, height)

九、设置模型视图

模型平移、旋转、缩放等几何变换,需要切换到模型矩阵:

glmatrixmode(gl_modelview)

glloadidentity

glscale(1.0, 1.0, 1.0)

十、捕捉鼠标事件、键盘事件和窗口事件

glut 库提供了几个函数帮我们捕捉鼠标事件、键盘事件和窗口事件:

glutmousefunc

该函数捕捉鼠标点击和滚轮操作,返回4个参数给被绑定的事件函数:键(左键/右键/中键/滚轮上/滚轮下)、状态(1/0)、x坐标、y坐标

glutmotionfunc

该函数捕捉有一个鼠标键被按下时的鼠标移动给被绑定的事件函数,返回2个参数:x坐标、y坐标

glutpassivemotionfunc

该函数捕捉鼠标移动,返回2个参数给被绑定的事件函数:x坐标、y坐标

glutentryfunc

该函数捕捉鼠标离开或进入窗口区域,返回1个参数给被绑定的事件函数:glut_left 或者 glut_entered

glutkeyboardfunc(keydown)

该函数捕捉键盘按键被按下,返回3个参数给被绑定的事件函数:被按下的键,x坐标、y坐标

glutreshapefunc

该函数捕捉窗口被改变大小,返回2个参数给被绑定的事件函数:窗口宽度、窗口高度

如果我们需要捕捉这些事件,只需要定义事件函数,注册相应的函数就行:

def reshape(width, height):

pass

def mouseclick(button, state, x, y):

pass

def mousemotion(x, y):

pass

def keydown(key, x, y):

pass

glutreshapefunc(reshape) # 注册响应窗口改变的函数reshape

glutmousefunc(mouseclick) # 注册响应鼠标点击的函数mouseclick

glutmotionfunc(mousemotion) # 注册响应鼠标拖拽的函数mousemotion

glutkeyboardfunc(keydown) # 注册键盘输入的函数keydown

十一、综合应用

是时候把我们上面讲的这些东西完整的演示一下了。下面的代码还是画了世界坐标系,并在原点前后各画了一个三角形。鼠标可以拖拽视点绕参考点旋转(二者距离保持不变),滚轮可以缩放模型。

敲击退格键或回车键可以让视点远离或接近参考点。敲击 x/y/z 可以减小参考点对应的坐标值,敲击 x/y/z 可以增大参考点对应的坐标值。敲击空格键可以切换投影模式。

上图左是平行投影模式的显示效果,上图右是透视投影模式的显示效果。代码如下:

# -*- coding: utf-8 -*-

# -------------------------------------------

# quidam_02.py 旋转、缩放、改变视点和参考点

# -------------------------------------------

from opengl.gl import *

from opengl.glu import *

from opengl.glut import *

import numpy as np

is_perspective = true # 透视投影

view = np.array([-0.8, 0.8, -0.8, 0.8, 1.0, 20.0]) # 视景体的left/right/bottom/top/near/far六个面

scale_k = np.array([1.0, 1.0, 1.0]) # 模型缩放比例

eye = np.array([0.0, 0.0, 2.0]) # 眼睛的位置(默认z轴的正方向)

look_at = np.array([0.0, 0.0, 0.0]) # 瞄准方向的参考点(默认在坐标原点)

eye_up = np.array([0.0, 1.0, 0.0]) # 定义对观察者而言的上方(默认y轴的正方向)

win_w, win_h = 640, 480 # 保存窗口宽度和高度的变量

left_is_downed = false # 鼠标左键被按下

mouse_x, mouse_y = 0, 0 # 考察鼠标位移量时保存的起始位置

def getposture:

global eye, look_at

dist = np.sqrt(np.power((eye-look_at), 2).sum)

if dist > 0:

phi = np.arcsin((eye[1]-look_at[1])/dist)

theta = np.arcsin((eye[0]-look_at[0])/(dist*np.cos(phi)))

else:

phi = 0.0

theta = 0.0

return dist, phi, theta

dist, phi, theta = getposture # 眼睛与观察目标之间的距离、仰角、方位角

def init:

glclearcolor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置画布背景色。注意:这里必须是4个参数

glenable(gl_depth_test) # 开启深度测试,实现遮挡关系

gldepthfunc(gl_lequal) # 设置深度测试函数(gl_lequal只是选项之一)

def draw:

global is_perspective, view

global eye, look_at, eye_up

global scale_k

global win_w, win_h

# 清除屏幕及深度缓存

glclear(gl_color_buffer_bit | gl_depth_buffer_bit)

# 设置投影(透视投影)

glmatrixmode(gl_projection)

glloadidentity

if win_w > win_h:

if is_perspective:

glfrustum(view[0]*win_w/win_h, view[1]*win_w/win_h, view[2], view[3], view[4], view[5])

else:

glortho(view[0]*win_w/win_h, view[1]*win_w/win_h, view[2], view[3], view[4], view[5])

else:

if is_perspective:

glfrustum(view[0], view[1], view[2]*win_h/win_w, view[3]*win_h/win_w, view[4], view[5])

else:

glortho(view[0], view[1], view[2]*win_h/win_w, view[3]*win_h/win_w, view[4], view[5])

# 设置模型视图

glmatrixmode(gl_modelview)

glloadidentity

# 几何变换

glscale(scale_k[0], scale_k[1], scale_k[2])

# 设置视点

glulookat(

eye[0], eye[1], eye[2],

look_at[0], look_at[1], look_at[2],

eye_up[0], eye_up[1], eye_up[2]

# 设置视口

glviewport(0, 0, win_w, win_h)

# ---------------------------------------------------------------

glbegin(gl_lines) # 开始绘制线段(世界坐标系)

# 以红色绘制x轴

glcolor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为红色不透明

glvertex3f(-0.8, 0.0, 0.0) # 设置x轴顶点(x轴负方向)

glvertex3f(0.8, 0.0, 0.0) # 设置x轴顶点(x轴正方向)

# 以绿色绘制y轴

glcolor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为绿色不透明

glvertex3f(0.0, -0.8, 0.0) # 设置y轴顶点(y轴负方向)

glvertex3f(0.0, 0.8, 0.0) # 设置y轴顶点(y轴正方向)

# 以蓝色绘制z轴

glcolor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # 设置当前颜色为蓝色不透明

glvertex3f(0.0, 0.0, -0.8) # 设置z轴顶点(z轴负方向)

glvertex3f(0.0, 0.0, 0.8) # 设置z轴顶点(z轴正方向)

glend # 结束绘制线段

# ---------------------------------------------------------------

glbegin(gl_triangles) # 开始绘制三角形(z轴负半区)

glcolor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为红色不透明

glvertex3f(-0.5, -0.366, -0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为绿色不透明

glvertex3f(0.5, -0.366, -0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # 设置当前颜色为蓝色不透明

glvertex3f(0.0, 0.5, -0.5) # 设置三角形顶点

glend # 结束绘制三角形

# ---------------------------------------------------------------

glbegin(gl_triangles) # 开始绘制三角形(z轴正半区)

glcolor4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为红色不透明

glvertex3f(-0.5, 0.5, 0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 1.0, 0.0, 1.0) # 设置当前颜色为绿色不透明

glvertex3f(0.5, 0.5, 0.5) # 设置三角形顶点

glcolor4f(0.0, 0.0, 1.0, 1.0) # 设置当前颜色为蓝色不透明

glvertex3f(0.0, -0.366, 0.5) # 设置三角形顶点

glend # 结束绘制三角形

# ---------------------------------------------------------------

glutswapbuffers # 切换缓冲区,以显示绘制内容

def reshape(width, height):

global win_w, win_h

win_w, win_h = width, height

glutpostredisplay

def mouseclick(button, state, x, y):

global scale_k

global left_is_downed

global mouse_x, mouse_y

mouse_x, mouse_y = x, y

if button == glut_left_button:

left_is_downed = state==glut_down

elif button == 3:

scale_k *= 1.05

glutpostredisplay

elif button == 4:

scale_k *= 0.95

glutpostredisplay

def mousemotion(x, y):

global left_is_downed

global eye, eye_up

global mouse_x, mouse_y

global dist, phi, theta

global win_w, win_h

if left_is_downed:

dx = mouse_x - x

dy = y - mouse_y

mouse_x, mouse_y = x, y

phi += 2*np.pi*dy/win_h

phi %= 2*np.pi

theta += 2*np.pi*dx/win_w

theta %= 2*np.pi

r = dist*np.cos(phi)

eye[1] = dist*np.sin(phi)

eye[0] = r*np.sin(theta)

eye[2] = r*np.cos(theta)

if 0.5*np.pi < phi < 1.5*np.pi:

eye_up[1] = -1.0

else:

eye_up[1] = 1.0

glutpostredisplay

def keydown(key, x, y):

global dist, phi, theta

global eye, look_at, eye_up

global is_perspective, view

if key in [b'x', b'x', b'y', b'y', b'z', b'z']:

if key == b'x': # 瞄准参考点 x 减小

look_at[0] -= 0.01

elif key == b'x': # 瞄准参考 x 增大

look_at[0] += 0.01

elif key == b'y': # 瞄准参考点 y 减小

look_at[1] -= 0.01

elif key == b'y': # 瞄准参考点 y 增大

look_at[1] += 0.01

elif key == b'z': # 瞄准参考点 z 减小

look_at[2] -= 0.01

elif key == b'z': # 瞄准参考点 z 增大

look_at[2] += 0.01

dist, phi, theta = getposture

glutpostredisplay

elif key == b'\r': # 回车键,视点前进

eye = look_at + (eye - look_at) * 0.9

dist, phi, theta = getposture

glutpostredisplay

elif key == b'\x08': # 退格键,视点后退

eye = look_at + (eye - look_at) * 1.1

dist, phi, theta = getposture

glutpostredisplay

elif key == b' ': # 空格键,切换投影模式

is_perspective = not is_perspective

glutpostredisplay

if __name__ == "__main__":

glutinit

displaymode = glut_double | glut_alpha | glut_depth

glutinitdisplaymode(displaymode)

glutinitwindowsize(win_w, win_h)

glutinitwindowposition(300, 200)

glutcreatewindow('quidam of opengl')

init # 初始化画布

glutdisplayfunc(draw) # 注册回调函数draw

glutreshapefunc(reshape) # 注册响应窗口改变的函数reshape

glutmousefunc(mouseclick) # 注册响应鼠标点击的函数mouseclick

glutmotionfunc(mousemotion) # 注册响应鼠标拖拽的函数mousemotion

glutkeyboardfunc(keydown) # 注册键盘输入的函数keydown

glutmainloop # 进入glut主循环

十二、小结

虽然还有很多领域需要我们继续探索,比如灯光、材质、雾化、拾取等,但那不是奇幻之旅的目标。奇幻之旅仅仅是帮助读者建立 opengl 的基本概念。至此,我们基本完成了任务。

加速渲染

实际应用 opengl 绘制三维图像时,往往需要处理数以万计的顶点,有时甚至是百万级、千万级。我们通常不会在绘制函数里面传送这些数据,而是在绘制之前,将这些数据提前传送到gpu。绘制函数每次绘制时,只需要从gpu的缓存中取出数据即可,极大地提高了效率。这个机制地实现,依赖于顶点缓冲区对象(vertex buffer object),简称vbo。

尽管 vbo 是显卡的扩展,其实没有用到gpu运算,也就是说 vbo 不用写着色语言,直接用opengl函数就可以调用,主要目的是用于加快渲染的速。

vbo 将顶点信息放到 gpu 中,gpu 在渲染时去缓存中取数据,二者中间的桥梁是 gl-context。gl-context 整个程序一般只有一个,所以如果一个渲染流程里有两份不同的绘制代码,gl-context 就负责在他们之间进行切换。这也是为什么要在渲染过程中,在每份绘制代码之中会有 glbindbuffer、glenablevertexattribarray、glvertexattribpointer。如果把这些都放到初始化时候完成,使用一种结构记录该次绘制所需要的所有 vbo 所需信息,把它保存到 vbo特定位置,绘制的时候直接在这个位置取信息绘制,会简化渲染流程、提升渲染速度。这就是 vao 概念产生的初衷。

vao 的全名是 vertex array object,首先,它不是 buffer-object,所以不用作存储数据;其次,它针对“顶点”而言,也就是说它跟“顶点的绘制”息息相关。vao 记录的是一次绘制中所需要的信息,这包括“数据在哪里 glbindbuffer”、“数据的格式是怎么样的 glvertexattribpointer”、shader-attribute 的 location 的启用 glenablevertexattribarray。

根据我查到的资料,几乎所有的显卡都支持 vbo,但不是所有的显卡都支持 vao,而 vao 仅仅是优化了 vbo 的使用方法,对于加速并没有实质性的影响,因此本文只讨论 vbo 技术。

一、创建顶点缓冲区对象(vbo)

假定画一个六面体,顶点是这样的:

# -*- coding: utf-8 -*-

# 六面体数据

# ------------------------------------------------------

# v4----- v5

# /| /|

# v0------v1|

# | | | |

# | v7----|-v6

# |/ |/

# v3------v2

# 顶点集

vertices = np.array([

-0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, # v0-v1-v2-v3

-0.5, 0.5, -0.5, 0.5, 0.5, -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5 # v4-v5-v6-v7

], dtype=np.float32)

# 索引集

indices = np.array([

0, 1, 2, 3, # v0-v1-v2-v3 (front)

4, 5, 1, 0, # v4-v5-v1-v0 (top)

3, 2, 6, 7, # v3-v2-v6-v7 (bottom)

5, 4, 7, 6, # v5-v4-v7-v6 (back)

1, 5, 6, 2, # v1-v5-v6-v2 (right)

4, 0, 3, 7 # v4-v0-v3-v7 (left)

], dtype=np.int)

在gpu上创建vbo如下:

from opengl.arrays import vbo

vbo_vertices = vbo.vbo(vertices)

vbo_indices = vbo.vbo(indices, target=gl_element_array_buffer)

创建 顶点 vbo 时,默认 target=gl_array_buffer, 而创建索引 vbo 时,target=gl_element_array_buffer,因为顶点的数据类型是 np.float32,索引的数据类型是np.int。

在vbo保存的顶点数据集,除了顶点信息外,还可以包含颜色、法线、纹理等数据,这就是顶点混合数组的概念。假定我们在上面的顶点集中增加每个顶点的颜色,则可以写成这样:

vertices = np.array([

0.3, 0.6, 0.9, -0.35, 0.35, 0.35, # c0-v0

0.6, 0.9, 0.3, 0.35, 0.35, 0.35, # c1-v1

0.9, 0.3, 0.6, 0.35, -0.35, 0.35, # c2-v2

0.3, 0.9, 0.6, -0.35, -0.35, 0.35, # c3-v3

0.6, 0.3, 0.9, -0.35, 0.35, -0.35, # c4-v4

0.9, 0.6, 0.3, 0.35, 0.35, -0.35, # c5-v5

0.3, 0.9, 0.9, 0.35, -0.35, -0.35, # c6-v6

0.9, 0.9, 0.3, -0.35, -0.35, -0.35 # c7-v7

], dtype=np.float32)

二、分离顶点混合数组

使用 glinterleavedarrays 函数可以从顶点混合数组中分离顶点、颜色、法线和纹理。比如,对只包含顶点信息的顶点混合数组:

vbo_indices.bind

glinterleavedarrays(gl_v3f, 0, none)

如果顶点混合数组包含了颜色和顶点信息:

vbo_indices.bind

glinterleavedarrays(gl_c3f_v3f, 0, none)

glinterleavedarrays 函数第一个参数总共有14个选项,分别是:

gl_v2f

gl_v3f

gl_c4ub_v2f

gl_c4ub_v3f

gl_c3f_v3f

gl_n3f_v3f

gl_c4f_n3f_v3f

gl_t2f_v3f

gl_t4f_v4f

gl_t2f_c4ub_v3f

gl_t2f_c3f_v3f

gl_t2f_n3f_v3f

gl_t2f_c4f_n3f_v3f

gl_t4f_c4f_n3f_v4f

三、使用顶点缓冲区对象(vbo)

使用gldrawelements 等函数绘制前,需要先绑定顶点数据集和索引数据集,然后使用glinterleavedarrays 分理出顶点、颜色、法线等数据。

vbo_indices.bind

glinterleavedarrays(gl_v3f, 0, none)

vbo_indices.bind

gldrawelements(gl_quads, int(vbo_indices .size/4), gl_unsigned_int, none)

vbo_indices.unbind

vbo_indices.unbind

致谢:

写作过程中,我参考了很多资料,包括纸质书籍和网页,列写于此,一并致谢!

《opengl编程精粹》杨柏林 陈根浪 徐静 编著

opengl开发库介绍

https://blog.csdn.net/yyyuhan/article/details/2045009

opengl的api函数使用手册

https://www.cnblogs.com/1024planet/p/5764646.html

glut处理鼠标事件

https://blog.csdn.net/jacky_chenjp/article/details/69396540/

learn opengl

https://learnopengl-cn.github.io/

原文:https://blog.csdn.net/xufive/article/details/86565130

声明:本文系csdn博客原创文章,转载请联系原作者。

技术的道路一个人走着极为艰难?

一身的本领得不施展?

优质的文章得不到曝光?