一、案例及相关函数说明
使用OpenGL绘制点、线、线段、线环、金字塔、六边形图形，并且使用键盘的空格键完成图形切换，使用上下左右键控制图形的上下左右旋转。效果如下：
二、预备知识
1.所需变量和类：
// 各种需要的类
GLShaderManager shaderManager;
GLMatrixStack modelViewMatrix;
GLMatrixStack projectionMatrix;
GLFrame cameraFrame;
GLFrame objectFrame;
//投影矩阵
GLFrustum viewFrustum;
//容器类（7种不同的图元对应7种容器对象）
GLBatch pointBatch;
GLBatch lineBatch;
GLBatch lineStripBatch;
GLBatch lineLoopBatch;
GLBatch triangleBatch;
GLBatch triangleStripBatch;
GLBatch triangleFanBatch;
//几何变换的管道
GLGeometryTransform transformPipeline;
//颜色
GLfloat vGreen[] = { 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
GLfloat vBlack[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
// 跟踪效果步骤，空格键记录
int nStep = 0;
重要名词：
-
矩阵堆栈：
GLMatrixStack变化管线使用矩阵堆栈，是用来存储我们矩阵的栈。modelViewMatrix:模型视图矩阵栈，主要操作的就是这个矩阵，后面代码中会讲到。projectionMatrix:透视投影矩阵栈 -
GLFrame：
GLFrame叫参考帧，其中存储了1个世界坐标点和2个世界坐标下的方向向量，也就是9个glFloat值，分别用来表示：当前位置点，向前方向向量，向上方向向量。
GLFrame可以表示世界坐标系中任意物体的位置与方向。无论是相机还是模型，都可以使用GLFrame来表示。对任意一个使用GLFrame来表示的物体而言，涉及到的坐标系有两个：永远不变的世界坐标系，针对于自身的物体坐标系(即绘图坐标系)。
简单理解GLFrame也是存储矩阵的，不过只能存一个。
函数：
本次案例除了之前会用到的几个函数传送门：
int main(int argc,char *argv[])main函数void changeSize(int w ,int h):changeSize 函数void RenderScene(void)RenderScene函数void setupRC(void)setupRC函数void SpecialKeys(int key, int x, int y)SpecialKey函数。
还新增了新的函数和部分变量： //根据空格次数。切换不同的“窗口名称”
void KeyPressFunc(unsigned char key, int x, int y)： 点击空格时，调用的函数，用来处理按压空格后，调整显示图形的功能。
三、代码解析：
main函数：
int main(int argc, char* argv[])
{
gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
glutInit(&argc, argv);
//申请一个颜色缓存区、深度缓存区、双缓存区、模板缓存区
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
//设置window 的尺寸
glutInitWindowSize(800, 600);
//创建window的名称
glutCreateWindow("GL_POINTS");
//注册回调函数（改变尺寸）
glutReshapeFunc(ChangeSize);
//点击空格时，调用的函数
glutKeyboardFunc(KeyPressFunc);
//特殊键位函数（上下左右）
glutSpecialFunc(SpecialKeys);
//显示函数
glutDisplayFunc(RenderScene);
//判断一下是否能初始化glew库，确保项目能正常使用OpenGL 框架
GLenum err = glewInit();
if (GLEW_OK != err) {
fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
return 1;
}
//绘制
SetupRC();
//runloop运行循环
glutMainLoop();
return 0;
}
main函数在之前就讲过，是作为程序启动的入口,在这里主要是做程序的准备工作。
changeSize函数:
// 窗口已更改大小，或刚刚创建。无论哪种情况，我们都需要
// 使用窗口维度设置视口和投影矩阵.
void ChangeSize(int w, int h)
{
glViewport(0, 0, w, h);
//创建投影矩阵，并将它载入投影矩阵堆栈中
viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w) / float(h), 1.0f, 500.0f);
projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
//调用顶部载入单元矩阵
modelViewMatrix.LoadIdentity();
}
changeSize主要负责视口的变化处理，本案例中新增了创建投影矩阵并入栈到projectionMatrix透视矩阵栈和在modelViewMatrix模型视图矩栈中载入单元矩阵。
pressFun函数:
//根据空格次数。切换不同的“窗口名称”
void KeyPressFunc(unsigned char key, int x, int y)
{
if(key == 32)
{
nStep++;
if(nStep > 6)
nStep = 0;
}
switch(nStep)
{
case 0:
glutSetWindowTitle("GL_POINTS");
break;
case 1:
glutSetWindowTitle("GL_LINES");
break;
case 2:
glutSetWindowTitle("GL_LINE_STRIP");
break;
case 3:
glutSetWindowTitle("GL_LINE_LOOP");
break;
case 4:
glutSetWindowTitle("GL_TRIANGLES");
break;
case 5:
glutSetWindowTitle("GL_TRIANGLE_STRIP");
break;
case 6:
glutSetWindowTitle("GL_TRIANGLE_FAN");
break;
}
glutPostRedisplay();
}
这个函数主要是记录当前的step，并根据当前step判断所需要显示的图形的名称，当显示完所有图形后，将step置为0，又从头开始显示。
specialKeys函数：
//特殊键位处理（上、下、左、右移动）
void SpecialKeys(int key, int x, int y)
{
if(key == GLUT_KEY_UP)
//围绕一个指定的X,Y,Z轴旋转。
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
if(key == GLUT_KEY_DOWN)
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
if(key == GLUT_KEY_LEFT)
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
if(key == GLUT_KEY_RIGHT)
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
glutPostRedisplay();
}
specialKeys根据按压键位，判断当前显示图形该如何旋转。
这里要讲一下，我们常用的两种旋转方式：
- 固定观察者，旋转模型。即上面代码中用到的：
objectFrame.RotateWorld()
- 固定模型，旋转观察者。即：
cameraFrame.RotateWorld()
void RotateWorld(float fAngle, float x, float y, float z)函数：
fAngle：表示旋转的角度
float x、y、z：相对X、Y、Z轴的位置
如果我们要围绕Y轴，让Y = 1，X = Z = 0即可;
反之围绕X轴：让X = 1，Y = Z = 0即可;
反之围绕Z轴：让Z = 1，X = Y = 0即可。
setupRC函数：
// 此函数在呈现上下文中进行任何必要的初始化。.
// 这是第一次做任何与opengl相关的任务。
void SetupRC()
{
// 灰色的背景
glClearColor(1.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f );
shaderManager.InitializeStockShaders();
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
//设置变换管线以使用两个矩阵堆栈
transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);
//GLFrame中默认的朝向是z轴的负方向，即(0.0, 0.0, -1.0)
//向前走-15.0，即(0.0, 0.0, -1.0 * -15.0) = (0.0, 0.0, 15.0)
cameraFrame.MoveForward(-15.0f);
//定义一些点，三角形形状。
GLfloat vCoast[9] = {
3,3,0,0,3,0,3,0,0
};
//用点的形式
pointBatch.Begin(GL_POINTS, 3);
pointBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
pointBatch.End();
//通过线的形式
lineBatch.Begin(GL_LINES, 3);
lineBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
lineBatch.End();
//通过线段的形式
lineStripBatch.Begin(GL_LINE_STRIP, 3);
lineStripBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
lineStripBatch.End();
//通过线环的形式
lineLoopBatch.Begin(GL_LINE_LOOP, 3);
lineLoopBatch.CopyVertexData3f(vCoast);
lineLoopBatch.End();
// 通过三角形创建金字塔
GLfloat vPyramid[12][3] = {
-2.0f, 0.0f, -2.0f,
2.0f, 0.0f, -2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
2.0f, 0.0f, -2.0f,
2.0f, 0.0f, 2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
2.0f, 0.0f, 2.0f,
-2.0f, 0.0f, 2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f,
-2.0f, 0.0f, 2.0f,
-2.0f, 0.0f, -2.0f,
0.0f, 4.0f, 0.0f
};
//GL_TRIANGLES 每3个顶点定义一个新的三角形
triangleBatch.Begin(GL_TRIANGLES, 12);
triangleBatch.CopyVertexData3f(vPyramid);
triangleBatch.End();
// 三角形扇形--六边形
GLfloat vPoints[100][3];
int nVerts = 0;
//半径
GLfloat r = 3.0f;
//原点(x,y,z) = (0,0,0);
vPoints[nVerts][0] = 0.0f;
vPoints[nVerts][1] = 0.0f;
vPoints[nVerts][2] = 0.0f;
//M3D_2PI 就是2Pi 的意思，就一个圆的意思。 绘制圆形
for(GLfloat angle = 0; angle < M3D_2PI; angle += M3D_2PI / 6.0f) {
//数组下标自增（每自增1次就表示一个顶点）
nVerts++;
/*
弧长=半径*角度,这里的角度是弧度制,不是平时的角度制
既然知道了cos值,那么角度=arccos,求一个反三角函数就行了
*/
//x点坐标 cos(angle) * 半径
vPoints[nVerts][0] = float(cos(angle)) * r;
//y点坐标 sin(angle) * 半径
vPoints[nVerts][1] = float(sin(angle)) * r;
//z点的坐标
vPoints[nVerts][2] = -0.5f;
}
// 结束扇形 前面一共绘制7个顶点（包括圆心）
//添加闭合的终点
//课程添加演示：屏蔽177-180行代码，并把绘制节点改为7.则三角形扇形是无法闭合的。
nVerts++;
vPoints[nVerts][0] = r;
vPoints[nVerts][1] = 0;
vPoints[nVerts][2] = 0.0f;
// 加载！
//GL_TRIANGLE_FAN 以一个圆心为中心呈扇形排列，共用相邻顶点的一组三角形
triangleFanBatch.Begin(GL_TRIANGLE_FAN, 8);
triangleFanBatch.CopyVertexData3f(vPoints);
triangleFanBatch.End();
//三角形条带，一个小环或圆柱段
//顶点下标
int iCounter = 0;
//半径
GLfloat radius = 3.0f;
//从0度~360度，以0.3弧度为步长
for(GLfloat angle = 0.0f; angle <= (2.0f*M3D_PI); angle += 0.3f)
{
//或许圆形的顶点的X,Y
GLfloat x = radius * sin(angle);
GLfloat y = radius * cos(angle);
//绘制2个三角形（他们的x,y顶点一样，只是z点不一样）
vPoints[iCounter][0] = x;
vPoints[iCounter][1] = y;
vPoints[iCounter][2] = -0.5;
iCounter++;
vPoints[iCounter][0] = x;
vPoints[iCounter][1] = y;
vPoints[iCounter][2] = 0.5;
iCounter++;
}
// 关闭循环
printf("三角形带的顶点数：%d\n",iCounter);
//结束循环，在循环位置生成2个三角形
vPoints[iCounter][0] = vPoints[0][0];
vPoints[iCounter][1] = vPoints[0][1];
vPoints[iCounter][2] = -0.5;
iCounter++;
vPoints[iCounter][0] = vPoints[1][0];
vPoints[iCounter][1] = vPoints[1][1];
vPoints[iCounter][2] = 0.5;
iCounter++;
// GL_TRIANGLE_STRIP 共用一个条带（strip）上的顶点的一组三角形
triangleStripBatch.Begin(GL_TRIANGLE_STRIP, iCounter);
triangleStripBatch.CopyVertexData3f(vPoints);
triangleStripBatch.End();
}
这里面主要是负责计算我们图形显示所需的数据。
GLBatch相关函数解释:
//开始填充数据
void GLBatch::Begin(GLenum primitive,GLuint nVerts,GLuint nTextureUnits = 0);
参数1：表示使用的图元
参数2：顶点数
参数3：纹理坐标（可选）
//负责顶点坐标，拷贝顶点坐标
void GLBatch::CopyVertexData3f(GLFloat *vNorms);
//填充结束，表示已经完成数据复制工作
void GLBatch::End(void);
renderSence函数：
// 召唤场景
void RenderScene(void)
{
// Clear the window with current clearing color
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
//压栈
modelViewMatrix.PushMatrix();
M3DMatrix44f mCamera;
cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);
//矩阵乘以矩阵堆栈的顶部矩阵，相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
M3DMatrix44f mObjectFrame;
//只要使用 GetMatrix 函数就可以获取矩阵堆栈顶部的值，这个函数可以进行2次重载。用来使用GLShaderManager 的使用。或者是获取顶部矩阵的顶点副本数据
objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
//矩阵乘以矩阵堆栈的顶部矩阵，相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
/* GLShaderManager 中的Uniform 值——平面着色器
参数1：平面着色器
参数2：运行为几何图形变换指定一个 4 * 4变换矩阵
--transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix() 获取的
GetMatrix函数就可以获得矩阵堆栈顶部的值
参数3：颜色值（黑色）
*/
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
switch(nStep) {
case 0:
//设置点的大小
glPointSize(6.0f);
pointBatch.Draw();
glPointSize(1.0f);
break;
case 1:
//设置线的宽度
glLineWidth(2.0f);
lineBatch.Draw();
glLineWidth(1.0f);
break;
case 2:
glLineWidth(2.0f);
lineStripBatch.Draw();
glLineWidth(1.0f);
break;
case 3:
glLineWidth(2.0f);
lineLoopBatch.Draw();
glLineWidth(1.0f);
break;
case 4:
DrawWireFramedBatch(&triangleBatch);
break;
case 5:
DrawWireFramedBatch(&triangleStripBatch);
break;
case 6:
DrawWireFramedBatch(&triangleFanBatch);
break;
}
//还原到以前的模型视图矩阵（单位矩阵）
modelViewMatrix.PopMatrix();
// 进行缓冲区交换
glutSwapBuffers();
}
这里面主要是处理绘制图形逻辑。先PushMatrix ()压栈，然后获取当前的cameraFrame观察者和objectFrame模型视图矩阵并存储到矩阵栈，然后由transformPipeline获取MVP矩阵(GetModelViewProjectionMatrix())，然后交给着色器，最后进行PopMatrix()出栈。
其中：
- 无论我们绘制那种图形，在绘制完成后都需要将我们的点、线宽进行重置。因为我们之前就讲到，
OpenGL本身使用的时候就是一个巨大的状态机。如果当前绘制完成后不重置，就会影响后面的绘制。所以绘制完成后需要进行重置。
//设置线的宽度
glLineWidth(2.0f);
///绘制
lineBatch.Draw();
//重置线宽
glLineWidth(1.0f);
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);使用来绘制顶点，构建出我们所需要的显示图形框架；void DrawWireFramedBatch(GLBatch* pBatch)函数是用来绘制填充框架，即我们看到的绿色部分。
void DrawWireFramedBatch(GLBatch* pBatch)
{
/*------------画绿色部分----------------*/
/* GLShaderManager 中的Uniform 值——平面着色器
参数1：平面着色器
参数2：运行为几何图形变换指定一个 4 * 4变换矩阵
--transformPipeline 变换管线（指定了2个矩阵堆栈）
参数3：颜色值
*/
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vGreen);
pBatch->Draw();
/*-----------边框部分-------------------*/
/*
glEnable(GLenum mode); 用于启用各种功能。功能由参数决定
参数列表：http://blog.csdn.net/augusdi/article/details/23747081
注意：glEnable() 不能写在glBegin() 和 glEnd()中间
GL_POLYGON_OFFSET_LINE 根据函数glPolygonOffset的设置，启用线的深度偏移
GL_LINE_SMOOTH 执行后，过虑线点的锯齿
GL_BLEND 启用颜色混合。例如实现半透明效果
GL_DEPTH_TEST 启用深度测试 根据坐标的远近自动隐藏被遮住的图形（材料
glDisable(GLenum mode); 用于关闭指定的功能 功能由参数决定
*/
//画黑色边框
glPolygonOffset(-1.0f, -1.0f);// 偏移深度，在同一位置要绘制填充和边线，会产生z冲突，所以要偏移
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
// 画反锯齿，让黑边好看些
glEnable(GL_LINE_SMOOTH);
glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
//绘制线框几何黑色版 三种模式，实心，边框，点，可以作用在正面，背面，或者两面
//通过调用glPolygonMode将多边形正面或者背面设为线框模式，实现线框渲染
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
//设置线条宽度
glLineWidth(2.5f);
/* GLShaderManager 中的Uniform 值——平面着色器
参数1：平面着色器
参数2：运行为几何图形变换指定一个 4 * 4变换矩阵
--transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix() 获取的
GetMatrix函数就可以获得矩阵堆栈顶部的值
参数3：颜色值（黑色）
*/
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
pBatch->Draw();
// 复原原本的设置
//通过调用glPolygonMode将多边形正面或者背面设为全部填充模式
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
glLineWidth(1.0f);
glDisable(GL_BLEND);
glDisable(GL_LINE_SMOOTH);
}
这样就可以实现完成我们案例效果了。
通过这个案例，我们可以了解矩阵栈的操作过程：
- 使用
PushMatrix方法，会将栈顶信息复制一份，放入栈顶。 - 使用
MultMatrix方法做矩阵相乘时，将该矩阵与栈顶矩阵相乘，覆盖栈顶矩阵。 - 使用
PopMatrix做出栈操作时，移除栈顶矩阵对象。（根据栈的特点，只能pop栈顶）
当我们使用LoadMatrix加载矩阵到栈顶，若没有传参数矩阵，默认将单元矩阵压入栈顶
下一篇我们将尝试用OpenGL绘制一个甜甜圈，并解决其中会遇到的问题，想了解的同学可以关注下哦！
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