课程实验指导-1
一.实验总体方案
1.教学目标与基本要求
(1) 掌握教材所介绍的图形算法的原理;
(2) 掌握通过具体的平台实现图形算法的方法,培养相应能力;
(3) 通过实验培养具有开发一个基本图形软件包的能力。
2. 实验平台与考核
实验主要结合OpenGL设计程序实现各种课堂教学中讲过的图形算法为主。程序设计语言主要以C/C++语言为主,开发平台为Visual C++。同学们也可根据自己的基础与兴趣使用其他的编译环境,如C++ Builder、Dev-C++等。
每次实验前完成实验报告的实验目的、实验内容、实验原理、实验代码四部分并接受抽查,实验完成后完成实验结果、实验体会两部分,本次实验课结束前提交。
3. 实验步骤
(1) 预习教材与实验指导相关的算法理论及原理;
(2) 仿照教材与实验指导提供的算法,利用VC+OpenGL进行实现;
(3) 调试、编译、运行程序,运行通过后,可考虑对程序进行修改或改进。
二. 实验具体方案
实验预备知识
OpenGL作为当前主流的图形API之一,它在一些场合具有比DirectX更优越的特性。
1)与C语言紧密结合:
OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的,对于学习过C语言的人来讲,OpenGL是容易理解和学习的。如果你曾经接触过TC的graphics.h,你会发现,使用OpenGL作图甚至比TC更加简单;
2)强大的可移植性:
微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API,但它只用于Windows系统。而OpenGL不仅用于 Windows,还可以用于Unix/Linux等其它系统,它甚至在大型计算机、各种专业计算机(如:医疗用显示设备)上都有应用。并且,OpenGL 的基本命令都做到了硬件无关,甚至是平台无关;
3、高性能的图形渲染:
OpenGL是一个工业标准,它的技术紧跟时代,现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持,激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。
总之,OpenGL是一个非常优秀的图形软件接口。OpenGL官方网站(英文)http://www.opengl.org
下面将对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。如下是学习OpenGL前的准备工作:
1.选择一个编译环境
现在Windows系统的主流编译环境有Visual C++,C++ Builder,Dev-C++等,它们都是支持OpenGL的。但这里我们选择Visual C++ 作为学习OpenGL的实验环境。
2.安装GLUT工具包
GLUT不是OpenGL所必须的,但它会给我们的学习带来一定的方便,推荐安装。Windows环境下的GLUT下载地址:(大小约为150k)
http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip
Windows环境下安装GLUT的步骤:
1)将下载的压缩包解开,将得到5个文件
2)在“我的电脑”中搜索“gl.h”,并找到其所在文件夹(如果是VisualStudio2005,则应该是其安装目录下面的“VC\PlatformSDK\include\gl文件夹”)。把解压得到的glut.h放到这个文件夹。
3)把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹(如果是VisualStudio2005,则应该是其安装目录下面的“VC\lib”文件夹)。
4)把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。(典型的位置为:C:\Windows\System32)
3.建立一个OpenGL工程
这里以VC为例:选择File->New->Project,然后选择Win32 Console Application,选择一个名字,然后按OK。在谈出的对话框左边点Application Settings,找到Empty project并勾上,选择Finish。然后向该工程添加一个代码文件,取名为“OpenGL.cpp”。
实验1 实验环境的熟悉及像素点的生成
1.实验目的:
熟悉编程环境;了解光栅图形显示器的特点;了解计算机绘图的特点;利用VC+OpenGL作为开发平台设计程序,以能够在屏幕上生成任意一个像素点为本实验的结束。
2.实验内容:
(1) 了解光栅图形显示器的特点及利用计算机绘图的特点。
(2) 掌握OpenGL提供的基本图形函数,尤其是生成点的函数。
(3) 了解和使用VC的开发环境,理解简单的OpenGL程序结构。
3.实验原理:
(1)基本语法
常用的程序设计语言,如C、C++、Pascal、Fortran和Java等,都支持OpenGL的开发。这里只讨论C版本下OpenGL的语法。
OpenGL基本函数均使用gl作为函数名的前缀,如glClearColor();实用函数则使用glu作为函数名的前缀,如gluSphere()。OpenGL基本常量的名字以GL_开头,如GL_LINE_LOOP;实用常量的名字以GLU_开头,如GLU_FILL。一些函数如glColor*()(定义颜色值),函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式。如glColor3b(...)、glColor3d(...)、glColor3f(...)和glColor3bv(...)等,这几个函数在功能上是相似的,只是适用于不同的数据类型和格式,其中3表示该函数带有三个参数,b、d、f分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型,v则表示这些参数是以向量形式出现的。
OpenGL定义了一些特殊标识符,如GLfloat,GLvoid。它们其实就是C中的float和void。在gl.h文件中可以看到以下定义:
……
typedef float GLfloat;
typedef void GLvoid;
……
一些基本的数据类型都有类似的定义项。
(2)状态机制
OpenGL的工作方式是一种状态机制,它可以进行各种状态或模式设置,这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。例如,当前颜色就是一个状态变量,在这个状态改变之前,绘制的每个象素都将使用该颜色,直到当前颜色被设置为其它颜色为止。OpenGL中大量地使用了这种状态机制,如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等等。许多状态变量可以通过glEnable()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态,如是否设置光照、是否进行深度检测等;在被设置成有效状态之后,绝大部分状态变量都有一个缺省值。通常情况下,可以用下列四个函数来获取某个状态变量的值:glGetBooleanv()、glGetDouble()、glGetFloatv()和glGetIntegerv()。究竟选择哪个函数应该根据所要获得的返回值的数据类型来决定。还有些状态变量有特殊的查询函数,如glGetLight*()、glGetError()和glPolygonStipple()等。另外,使用glPushAttrib()和glPopAttrib()函数,可以存储和恢复最近的状态变量的值。只要有可能,都应该使用这些函数,因为它们比其它查询函数的效率更高。
部分利用glEnable()和glDisable()的函数和设定值。
(3)程序的基本结构
OpenGL程序的基本结构可分为三个部分:
第一部分是初始化部分。主要是设置一些OpenGL的状态开关,如颜色模式(RGBA或ALPHA)的选择,是否作光照处理(若有的话,还需设置光源的特性),深度检验,裁剪等等。这些状态一般都用函数glEnable(...), glDisable(…)来设置,…表示特定的状态。
第二部分设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置大小。主要利用了三个函数:
函数void glViewport(left,top,right,bottom):设置在屏幕上的窗口大小,四个参数描述屏幕窗口四个角上的坐标(以象素表示);
函数void glOrtho(left,right,bottom,top,near,far):设置投影方式为正交投影(平行投影),其取景体积是一个各面均为矩形的六面体;
函数void gluPerspective(fovy,aspect,zNear,zFar):设置投影方式为透视投影,其取景体积是一个截头锥体。
第三部分是OpenGL的主要部分,使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的数学描述,包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等等。
以上三个部分是OpenGL程序的基本框架,即使移植到使用MFC的Windows程序中,也是如此。只是由于Windows自身有一套显示方式,需要进行一些必要的改动以协调这两种不同显示方式。
4.实验代码:
一个简单的OpenGL程序如下:(注意,如果需要编译并运行,需要正确安装GLUT,安装方法如预备知识中所述)
#include <GL/glut.h>
void myDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glRectf(-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.5f);
glFlush();
}
int main(int argc, char *argv[])
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
glutInitWindowPosition(100, 100);
glutInitWindowSize(400, 400);
glutCreateWindow("第一个OpenGL程序");
glutDisplayFunc(&myDisplay);
glutMainLoop();
return 0;
}
该程序的作用是在一个黑色的窗口中央画一个白色的矩形。下面对各行语句进行说明。
首先,需要包含头文件#include <GL/glut.h>,这是GLUT的头文件。本来OpenGL程序一般还要包含<GL/gl.h>和<GL/glu.h>,但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了,不必再次包含。
然后看main函数。int main(int argc, char *argv[]),这个是带命令行参数的main函数。注意main函数中的各语句,除了最后的return之外,其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数,下面对用到的几个函数进行介绍。
1、glutInit,对GLUT进行初始化,这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较死板,一般照抄这句glutInit(&argc, argv)就可以了。
2、 glutInitDisplayMode,设置显示方式,其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色,与之对应的还有GLUT_INDEX(表示使用索引颜色)。GLUT_SINGLE表示使用单缓冲,与之对应的还有GLUT_DOUBLE(使用双缓冲)。更多信息,请自己Google。当然以后的教程也会有一些讲解。
3、glutInitWindowPosition,这个简单,设置窗口在屏幕中的位置。
4、glutInitWindowSize,这个也简单,设置窗口的大小。
5、glutCreateWindow,根据前面设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意:窗口被创建后,并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口。
6、glutDisplayFunc,设置一个函数,当需要进行画图时,这个函数就会被调用。(这个说法不够准确,但准确的说法可能初学者不太好理解,暂时这样说吧)。
7、glutMainLoop,进行一个消息循环。(这个可能初学者也不太明白,现在只需要知道这个函数可以显示窗口,并且等待窗口关闭后才会返回,这就足够了。)
在glutDisplayFunc函数中,我们设置了“当需要画图时,请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay中的三个函数调用,发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数,下面对用到的函数进行介绍。
1、glClear,清除。GL_COLOR_BUFFER_BIT表示清除颜色,glClear函数还可以清除其它的东西,但这里不作介绍。
2、glRectf,画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标。
3、glFlush,保证前面的OpenGL命令立即执行(而不是让它们在缓冲区中等待)。其作用跟fflush(stdout)类似。