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：
- 在三角形中随机选择一个初始点\\(p(x,y)\\).
- 随机选择三个顶点之一。
- 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。
- 更新该点为点\\(p\\)
- 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。
