用PyOpenGL叩开3D的心扉——OpenGL全解析（4）

时间：2021-04-13 18:15:15

本文转自：http://eyehere.net/2011/learn-opengl-3d-by-pyopengl-4/


图元

上一次，我们有了一个足够3D的程序了，虽然很漂亮，但是那个茶壶并不是我们画出来的，glut带给我们的便利而已。从现在开始我们就得自己动手丰衣足食了，为了达到这一点，我们得再了解一些OpenGL的一些知识。

用PyOpenGL叩开3D的心扉——OpenGL全解析（4）如右图所示，你必须知道构成我们3D图像的最小单位，它们往往被称为图元。

  • 点，在OpenGL中，这是最基本的图元，比如说图中红色的那个点。
  • 线，比如左图中粉色的那根。我们可以看到，两个点定一条线，不过从一个点上可以发射出任意多的线，所以点和线的数量关系并不是确定的。
  • 多边形是最为复杂的图元，比如左图的黄色梯形。和数学中的多边形含义是一样的。

在标准OpenGL中，既然称为多边形，自然不一定是四个边，可以是任意，标准OpenGL中还有一个专门的矩形绘图函数glRect*，不过在OpenGL ES中，多边形就是指三角形，出于各种考虑，不支持更复杂的多边形。

观察左边的图像，这是一个球形，不过每一个小多边形都是平面，这么一个个的小平面，最终组成了球面。这是一个非常重要的概念，在计算机图像中，曲线和曲面是非常难表示的，真正的数学概念上的“圆”，相邻的三个点不在一条直线上，球也类似。但是如果在计算机上这么处理的话，代价太大了，所以我们总是把一个光滑的线和面分解成多个断线或小平面，就好像一个看台，远看是圆形的，但是实际上是由一块块的砖拼成的。当然这是比较一般的做法，OpenGL也有真正意义上的曲线曲面的表示方法，比如如雷贯耳的“贝塞尔曲线/面”，这个是比较高级的话题，再议。

用PyOpenGL叩开3D的心扉——OpenGL全解析（4）

如上图，一个球形由不同数量的平面组成时的状况，下面的数字标示围绕一周的多边形的数量，也就是上面和下面顶点发散出三角形的数量，如果给个名词的话，我们可以叫它“段”。我们可以看到，当段数为32的时候，很漂亮的球形；16的时候，还行，能分辨出这是球形；8的时候就有些丢人了；而没人会把段数为4的那个物体叫球体，叫水晶体才能接受。

绘制图元

因为点是最为基础的图元，我们得首先了解它：

glVertex(x, y[, z[, w]])

我们最多可以使用4个参数，一般2D的用两个，形式为glVertex2f(x, y)；3D的用三个，自然就是glVertex3f(x, y, z)；w在我们用到的时候再说。

那么画点是不是就调用这个函数就可以了呢？虽然差不多但可惜实际不完全是，这里有一个初学者感到很困惑的东西再里头，OpenGL所有的绘图指令，都必须包含在glBegin()和glEnd()之间！为什么要这样？glBegin()的参数告诉OpenGL这些点最终的绘制方法，如果单纯是画点GL_POINTS，这画三个点就是孤立的画出来，如果是其他的比如多边形GL_POLYGON，那么画三个点结果就是组成一个三角形。虽然绘制点的方法完全一样，因为给的参数不同而导致了不同的结果。glBegin()提供的图元绘图方式如下：

参数 含义
GL_POINTS 单个顶点集
GL_LINES 线段
GL_LINE_STRIP 不闭合的连续线段
GL_LINE_LOOP 闭合的线段
GL_POLYGON 多边形
GL_TRAINGLES 独立三角形
GL_TRAINGLE_STRIP 三角形串，线性连续
GL_TRAINGLE_FAN 三角形串，扇状连续
GL_QUADS 独立四边形
GL_QUAD_STRIP 四边形串

很明显，这样说，原来理解的人都要迷糊半天，所以“一图胜千言”来了，请参考下图理解，

用PyOpenGL叩开3D的心扉——OpenGL全解析（4）

如果还有有些疑惑，可以使用下面的程序，修改加深理解。

from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *

def init():
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
    gluOrtho2D(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0)

def drawFunc():
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)

    glBegin(GL_LINES)
    glVertex2f(-1.0, 0.0)
    glVertex2f(1.0, 0.0)
    glVertex2f(0.0, 1.0)
    glVertex2f(0.0, -1.0)
    glEnd()

    glPointSize(5.0)
    glBegin(GL_POINTS)
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)
    glVertex2f(0.3, 0.3)
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)
    glVertex2f(0.6, 0.6)
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)
    glVertex2f(0.9, 0.9)
    glEnd()

    glColor3f(1.0, 1.0, 0)
    glBegin(GL_QUADS)
    glVertex2f(-0.2, 0.2)
    glVertex2f(-0.2, 0.5)
    glVertex2f(-0.5, 0.5)
    glVertex2f(-0.5, 0.2)
    glEnd()

    glColor3f(0.0, 1.0, 1.0)
    glPolygonMode(GL_FRONT, GL_LINE)
    glPolygonMode(GL_BACK, GL_FILL)
    glBegin(GL_POLYGON)
    glVertex2f(-0.5, -0.1)
    glVertex2f(-0.8, -0.3)
    glVertex2f(-0.8, -0.6)
    glVertex2f(-0.5, -0.8)
    glVertex2f(-0.2, -0.6)
    glVertex2f(-0.2, -0.3)
    glEnd()

    glPolygonMode(GL_FRONT, GL_FILL)
    glPolygonMode(GL_BACK, GL_LINE)
    glBegin(GL_POLYGON)
    glVertex2f(0.5, -0.1)
    glVertex2f(0.2, -0.3)
    glVertex2f(0.2, -0.6)
    glVertex2f(0.5, -0.8)
    glVertex2f(0.8, -0.6)
    glVertex2f(0.8, -0.3)
    glEnd()

    glFlush()

glutInit()
glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA|GLUT_SINGLE)
glutInitWindowSize(400, 400)
glutCreateWindow("Sencond")

glutDisplayFunc(drawFunc)
init()
glutMainLoop()


用PyOpenGL叩开3D的心扉——OpenGL全解析（4）运行结果如右图：

分割线：

由12~17行绘制的，这里我们没有指定颜色，所以使用OpenGL默认的颜色系统，即前景白色，背景黑色。

右上区域：

由19~27绘制，glPointSize(5.0)指明每个点的大小为5个像素（否则默认是一个像素看不清楚，当然不是必要的）。而glColor3f(R, G, B)指定了绘制的颜色，这里的RGB都是0~1之间的浮点数，注意这里的排布，glColorx是可以放在glBegin()和glEnd()里面的，而glPointSize()则不是。这里简单画了三个不同颜色的点。

左上区域：

我们使用GL_QUADS画了一个黄色的矩形，很简单，看起来没有什么特别要说明的。真的如此么？我们画了几个点，指定矩形，但是注意到了么，这个矩形是填充的。也就是说，OpenGL在默认情况下，会填充我们画出来的图形。如何不填充？

下区域：

下面两个图案请合起来看，这两个图形是完全一样的，代码分别为左（37~47）和右(49~58)，坐标就是一个正一个负而已，唯一不同的是这里

glPolygonMode(GL_FRONT, GL_LINE)
glPolygonMode(GL_BACK, GL_FILL)

和 

glPolygonMode(GL_FRONT, GL_FILL)
glPolygonMode(GL_BACK, GL_LINE)

这个是什么意思呢？

看看上面解释各种参数的图，我们可以看到这里面的箭头都是逆时针绘制的，这里面是有原因的——“这个世界上没有偶然，有的只有必然”，OpenGL中，每一个面都有正面和反面，这很容易理解，就好像硬币的两面一样。默认情况下，顶点逆时针的那一面，在OpenGL中为正面，当然我们可以更改这种设置，不过何必呢？

glPolygonMode()指定了如何绘制面的方式，GL_LINE为只画线，GL_FILL则是默认的填充。观察一下代码和结果，是否很不错呢？

不过这不是我想说的重点，我们把渲染理解成在面上涂油漆，那么，如果六个面组成了一个盒子，我们给这个盒子上色的时候，一般就是把外面涂一遍就好了，里面都刷岂不是浪费油漆浪费时间？这样一个朴素的道理，在OpenGL里也是适用的，立体的物体都是由面组成的，很多情况下是封闭的，小到球、盒子，大到人体，就是由面组成的闭合物体。

我们可以告诉OpenGL，反面就不要渲染了 ，这叫“剔除（Cull)”使用glCullFace()可以做到这一点，接受的参数为GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK，意义的话，一目了然。这里先建立一个概念，具体不过必须要先启用glEnable(GL_CULL_FACE)，我们会在用到的时候再详细说明。

PyOpenGL的安装

这里才讲述PyOpenGL的安装有些不应该了，我原以为使用这个东西的人应该会很容易装上，不过既然是“入门教程”，应该想到还是有不少刚刚入门的朋友在，讲一下比较好。

首先PyOpenGL的官方网站，是依附于sourceforge的（好穷啊），网址是http://pyopengl.sourceforge.net/，上面有最新的下载的地址，举个例子http://pypi.python.org/pypi/PyOpenGL/3.0.1，这里面有三个文件PyOpenGL-3.0.1.tar.gz和PyOpenGL-3.0.1.zip是一回事，都是源码，如果你不是Windows，那么就需要下载这个编译安装，如果是的话，就下载PyOpenGL-3.0.1.win32.exe安装，注意这个是32位的。

虽然我的Windows是64位的，Python也有64位的版本，但是Python很多库都是32位的，所以我安装的Python也是32位的，减少了很多麻烦，否则很多时候就是装上能用，也会出现莫名其妙的问题。

至于Linux等，easy_install是个安装Python库很不错的选择，当然直接下载源代码python setup.py也很简单有效，这些通用的方法，我就不多讲了，不明白的请自己google一下。



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