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僻闻
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1 年度第二学期计算机图形学童伟华管理科研楼 1205 室中国科学技术大学数学科学学院

2 第二章图形编程简介 (OpenGL) 2

3 第一节图形编程接口发展简史 3

4 GKS(1980s 1980s) IFIPS (1973) 组织了两个委员会建立图形 API 的标准 GKS(Graphical Kernel System) 二维, 同时包含很好的工作站模型 Core: 同时应用于二维和三维 GKS 成为 ISO 标准, 稍后成为 ANSI 标准 (1980s) GKS 很难推广到三维 (GKS-3D) 远远落后于硬件的发展 IFIPS: International Federation of Information Processing Societies 4

5 PHIGS(1990s 1990s) 程序员层次交互式图形系统 (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System) 来自于 CAD 团体的 3D 图形 API 保留模式 : 绘制前在数据库里保存场景的层次结构基本几何图元和网格模型不支持光照 PHIGS+ NURBS 曲面支持光照, 但不支持纹理 5

6 PHIGS 与 X X Window 系统 ( 也常称为 X11 或 X) 1984 年 DEC/MIT 的雅典娜计划 Data Equipment Company 数据设备公司图形用户界面 (GUI) 环境底层框架, 硬件无关客户端 - 服务器 (client-server) 架构模型 GNONE KDE PEX( PHIGS Extension to X ) 把两者组合不易应用 6

7 IRIS GL Silicon Graphics(SGI: ) Geometry Engine( 几何引擎 ): 硬件 (VLSI) 实现几何流水线, 极大改良了图形工作站 IRIS GL(Integrated Raster Imaging System Graphics Library) 立即模式绘制可非常简单地设计出三维交互图形应用程序 7

8 OpenGL 1992 年 SGI 领导的 OpenGL Architectural Review Board(OpenGL ARB) 发布 1.0 版平台无关的 API: 易于使用与硬件非常贴近, 从而可以充分发挥其性能着重在于渲染 (rendering) 没有提供窗口和输入接口, 从而避免依赖于具体的窗口系统 8

9 OpenGL 的发展早期是由 ARB 掌控其发展成员包括 SGI, Microsoft, Nvidia, HP, 3DLabs, IBM, 相对稳定 ( 当前版本为 3.2,2009 年 8 月 ) 发展反映了新的硬件能力 3D 纹理映射和纹理对象 (1.2, 1998) 顶点着色器片段着色器 (2.0, 2004) 几何着色器 (3.2, 2009) 通过扩展支持平台相关的特性 2006 年,ARB 被 Khronos 工作组取代 9

10 OpenGL 的发展 10

11 OpenGL 3.1(2009 年 5 月 ) 完全基于 shader 没有缺省的 shader 每个应用程序必须提供一个 vertex shader 和 fragment shader 取消立即模式 ( immediate mode) 减少状态变量大部分 OpenGL 2.5 版本新增的功能废弃非向后兼容 ( 意味着早期版本的 OpenGL 的程序不能确保在 OpenGL 3.1 库下运行 ) 11

12 其它版本 OpenGL ES 嵌入式系统 (Embedded systems) Version 1.0( 简化的 OpenGL 2.1 版本 ) Version 2.0 ( 简化的 OpenGL 3.1) Shader based WebGL OpenGL ES 2.0 的 Javascript 实现新的网络浏览器支持 OpenGL 4.1 and 4.2(2012 年 1 月 ) 新增了 geometry shaders 和 tessellator 12

13 Direct3D DirectX: 微软开发的多媒体编程接口 Direct3D: DirectX 的 3D 图形 API 1.0: : Windows 95 OSR2& NT 4.0, c: Windows Xp SP2, : Windows Vista SP1, : Windows 7&Vista,

14 OpenGL V.S. Direct3D OpenGL 跨平台的开放式标准 API 可扩展机制可硬件加速的 3D 渲染系统底层实现 ( 驱动 ) 管理硬件专业图形应用科研跨平台, 可移植适合图形学教学 Direct3D Windows 平台的专利 API 一致性好 3D 硬件接口应用程序管理硬件资源计算机游戏高性能硬件存取能力非向下兼容 14

15 OpenGL 库 OpenGL 核心库 (OpenGL Core Library) Windows: OpenGL32.dll (WINDOWS\SYSTEM32) Windows XP 支持 OpenGL 1.1,Vista 支持 1.4 Direct3D 的封装, 需安装驱动来实现硬件加速大多数 Unix/Linux 系统 :GL 库 (libgl.a) OpenGL 实用库 (OpenGL Utility Library, GLU) OpenGL 的一部分 Windows: glu32.dll 利用 OpenGL 核心库提供一些功能, 避免重复编写代码二次曲面 NURBS 多边形网格化等 15

16 OpenGL 库与窗口系统的连接 X Window 系统 :GLX Windows: WGL Macintosh: AGL 粘合 OpenGL 和窗口系统 16

17 GLUT OpenGL 实用工具库 (OpenGL Utility Toolkit Library, GLUT) 提供所有窗口系统的共同功能创建窗口从鼠标和键盘获取输入菜单事件驱动代码可以在平台间移植, 但是 GLUT 缺乏一些现代 GUI 的控件和功能无滚动条可用 FLTK SDL 课程目标 :GLUT -> MFC 架构 17

18 GLEW 在 Windows 操作系统下, 若要使用最新版本的 OpenGL 功能查看图形卡支持的 OpenGL 版本使用 GLEW 库 (OpenGL Extension Wrangler Library)( 还有其它库 GLee,GL3W 等 ) 目的 : 对于特殊的操作系统, 使得调用 OpenGL 扩展功能更简单对于 Windows 代码来说, 避免直接调用实体入口 (entry points) 应用程序需要 : 增加 glew.h 头文件, 调用 glewinit() 即可 18

19 OpenGL 应用程序结构 19

20 OpenGL 应用程序结构在 X windows 操作系统下 20

21 OpenGL 流水线架构立即模式几何处理流水线多项式求值器逐顶点操作与图元装配显示列表光栅化逐片操作帧缓冲区纹理内存像素操作 21

22 OpenGL 的函数图元函数 (primitive)-what 点线段多边形属性函数 (attribute) -how 变换函数 (transformation) 视图函数 (viewing) 建模函数 (modeling) 输入函数 (input) GLUT 控制函数 (control) GLUT 查询函数 (query) 22

23 OpenGL 的状态机模型 OpenGL 使用状态机模型 OpenGL 函数有两大类型生成图元 ( 图元函数, 如 glvertex) 如果图元可见, 则被输出顶点如何被处理, 图元的外观由状态控制改变状态变换函数属性函数在 3.1 以下版本, 大多数变量由应用程序定义并发送至 shaders 23

24 程序里需要什么头文件库文件 #include <GL/gl.h> #include <GL/glu.h> #include <GL/glut.h> 编译系统库文件目录 \opengl32.lib glu32.lib glut32.lib C:\windows\system32\opengl32.dll glu32.dll glut32.dll 数据类型为了兼容性,OpenGL 定义了各种数据类型 (#define) GLfloat, GLint, GLenum, etc. 24

25 面向对象方面的缺陷 OpenGL 不是面向对象的, 因此逻辑上的一个函数却对应着多个 OpenGL 函数 : glvertex3f glvertex2i glvertex3dv 内在存储模式是相同的在 C++ 中很容易创建重载函数 25

26 OpenGL 函数名称的格式函数的功能属于 GL 库 GLU 库 :glu GLUT 库 :glut glvertex3f(x, y, z) 参数个数 2 - (x,y) 3 - (x,y,z) 4 - (x,y,z,w) glvertex3fv(p) x, y, z 为 float b - byte ub - unsigned byte s - short us - unsigned short i - int ui - unsigned int f - float d - double 注意每部分的大小写 p 为指向 float 的指针 26

27 OpenGL 程序的一般结构配置并开启窗口初始化 OpenGL 的状态处理用户事件绘制图像 27

28 一个简单程序在黑色背景上画一个白色矩形 28

29 simple.c #include <GL/glut.h> void mydisplay(){ glclear(gl_color_buffer_bit); glbegin(gl_polygon); glvertex2d(-0.5, -0.5); glvertex2d(-0.5, 0.5); glvertex2d(0.5, 0.5); glvertex2d(0.5, -0.5); glend(); glflush(); } int main(int argc, char* argv[]) { glutinit(&argc, argv); glutcreatewindow(" 简单示例 "); glutdisplayfunc(mydisplay); glutmainloop(); } 29

30 函数初始化 GLUT: void glutinit(int * argc, char ** argv) 创建窗口 : 窗口标题为 title int glutcreatewindow(char * title) 注册显示回调函数 : 窗口需要重绘时调用 func void glutdisplayfunc(void (*func)(void)) 事件处理循环 :main 函数最后一条语句 void glutmainloop() 清空缓冲区 : void glclear(glbitfield mask) 图元定义 :mode 可取 GL_POINTS GL_LINES GL_POLYGON void glbegin(glenum mode) // 开始 mode 型对象定义 void glend() // 结束顶点序列强制执行 OpenGL 命令 : void flush() 30

31 事件循环注意在程序中定义了一个显示回调函数 (display callback): mydisplay 每个 GLUT 程序都必须有一个显示回调函数只要 OpenGL 确定显示内容要被刷新时, 显示回调函数就会被调用 : 例如, 当窗口被打开的时候 main 函数是以程序进入事件循环做为结束 31

32 默认值 simple.c 非常简单大量使用状态变量的默认值视图颜色窗口参数以后的程序将直接改变一些默认值 32

33 如何编译仅以 Visual C 为例编译前, 安装 GLUT 库, 详见课程主页创建一个 win32 console application 类型的 workspace 文件创建一个 C/C++ 文件, 包含前面的代码, 并把这个文件插入到 workspace 文件中进入菜单 Project Settings, 选择 Link 标签, 在 Object/library modules 文本框中加上 opengl32.lib, glu32.lib, glut32.lib, 注意用空格分开 33

34 Thanks for your attention! 34

Microsoft Word - A200904-1992.doc

Microsoft Word - A200904-1992.doc 基于 OpenGL 的 HPGL 数据异形体模型三维建模贾龙 1 1,, 方亮 2, 陈太喜 2 2, 刘艳伟 1 中国矿业大学材料科学与工程学院, 江苏徐州 (22116) 2 中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 (22116) E-mail:jjllI58738432@yahoo.com.cn 摘