基于VC++的OpenGL編程講座之曲線和曲面

2019-11-17 05:16:25

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供稿：網(wǎng)友

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，所有的光滑曲線、曲面都采用線段或三角形逼近來(lái)模擬，但為了精確地表現(xiàn)曲線，通常需要成千上萬(wàn)個(gè)線段或三角形來(lái)逼近，這種方法對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件資源有相當(dāng)高的要求。然而，許多有用的曲線、曲面在數(shù)學(xué)上只需要用少數(shù)幾個(gè)參數(shù)（如控制點(diǎn)等）來(lái)描述。這種方法所需要的存儲(chǔ)空間比線段、三角形逼近的方法來(lái)所需要的空間要小得多，并且控制點(diǎn)方法描述的曲線、曲面比線段、三角形逼近的曲線、曲面更精確。
為了說明如何在OpenGL中繪制復(fù)雜曲線和曲面，我們對(duì)上述兩類比方法都進(jìn)行了介紹。下面我們先來(lái)介紹有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，然后再看是如何實(shí)現(xiàn)的吧。

　　 一、曲線的繪制

　　OpenGL通過一種求值器的機(jī)制來(lái)產(chǎn)生曲線和曲面，該機(jī)制非常靈活，可以生成任意角度的多項(xiàng)式曲線，并可以將其他類型的多邊形曲線和曲面轉(zhuǎn)換成貝塞爾曲線和曲面。這些求值器能在任何度的曲線及曲面上計(jì)算指定數(shù)目的點(diǎn)。隨后，OpenGL利用曲線和曲面上的點(diǎn)生成標(biāo)準(zhǔn)OpenGL圖元，例如與曲線或曲面近似的線段和多邊形。由于可讓OpenGL計(jì)算在曲線上所需的任意數(shù)量的點(diǎn)，因此可以達(dá)到應(yīng)用所需的精度。
對(duì)于曲線，OpenGL中使用glMap1*（）函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一維求值器，該函數(shù)原型為：

void glMap1{fd}(GLenum target,TYPE u1,TYPE u2, 
GLint stride, GLint order,const TYPE *points);

　　函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)target指出控制頂點(diǎn)的意義以及在參數(shù)points中需要提供多少值，具體值見表一所示。參數(shù)points指針可以指向控制點(diǎn)集、RGBA顏色值或紋理坐標(biāo)串等。例如若target是GL_MAP1_COLOR_4，則就能在RGBA四維空間中生成一條帶有顏色信息的曲線，這在數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化中應(yīng)用極廣。參數(shù)u1和u2，指明變量U的范圍，U一般從0變化到1。參數(shù)stride是跨度，表示在每塊存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)浮點(diǎn)數(shù)或雙精度數(shù)的個(gè)數(shù)，即兩個(gè)控制點(diǎn)間的偏移量，比如上例中的控制點(diǎn)集ctrpoint[4][3]的跨度就為3，即單個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)元素個(gè)數(shù)。函數(shù)參數(shù)order是次數(shù)加 1，叫階數(shù)，與控制點(diǎn)數(shù)一致。

參數(shù) 意義 GL_MAP1_VERTEX_3 x,y,z頂點(diǎn)坐標(biāo) GL_MAP1_VERTEX_4 x,y,z,w 頂點(diǎn)坐標(biāo) GL_MAP1_INDEX 顏色表 GL_MAP1_COLOR_4 R,G,B,A GL_MAP1_NORMAL 法向量 GL_MAP1_TEXTURE_COORD_1 s　紋理坐標(biāo) GL_MAP1_TEXTURE_COORD_2 s,t　紋理坐標(biāo) GL_MAP1_TEXTURE_COORD_3 s,t,r　紋理坐標(biāo) GL_MAP1_TEXTURE_COORD_4 s,t,r,q　紋理坐標(biāo) 　　　　　　　　　　　　　　表一、參數(shù)target的取值表

　　使用求值器定義曲線后，必須要啟動(dòng)求值器，才能進(jìn)行下一步的繪制工作。啟動(dòng)函數(shù)仍是glEnable()，其中參數(shù)與glMap1*()的第一個(gè)參數(shù)一致。同樣，關(guān)閉函數(shù)為glDisable()，參數(shù)也一樣。

　　一旦啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)求值器，我們就可以構(gòu)造近似曲線了。最簡(jiǎn)單的方法是通過調(diào)用計(jì)算坐標(biāo)函數(shù)glEvalcoord1*()替換所有對(duì)函數(shù)glVertex*()的調(diào)用。與glVertex*()使用二維、三維和四維坐標(biāo)不同，glEvalcoord1*()將u值傳給所有已啟動(dòng)的求值器，然后由這些已啟動(dòng)的求值器生成坐標(biāo)、法向量、顏色或紋理坐標(biāo)。OpenGL曲線坐標(biāo)計(jì)算的函數(shù)形式如下：

void glEvalCoord1{fd}[v](TYPE u);
　　該函數(shù)產(chǎn)生曲線坐標(biāo)值并繪制。參數(shù)u是定義域內(nèi)的值，這個(gè)函數(shù)調(diào)用一次只產(chǎn)生一個(gè)坐標(biāo)。在使用glEvalCoord1*()計(jì)算坐標(biāo)，因?yàn)閡可取定義域內(nèi)的任意值，所以由此計(jì)算出的坐標(biāo)值也是任意的。

　　使用glEvalCoord1*()函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可以對(duì)U使用任意值，然而，假如想對(duì)u使用N個(gè)不同的值，就必須對(duì)glEvalCoord1*()函數(shù)執(zhí)行N次調(diào)用，為此，OpenGL提供了等間隔值取值法，即先調(diào)用glMapGrid1*()定義一個(gè)間隔相等的一維網(wǎng)格，然后再用glEvalMesh1()通過一次函數(shù)執(zhí)行，將求值器應(yīng)用在網(wǎng)格上，計(jì)算相應(yīng)的坐標(biāo)值。下面具體解釋這兩個(gè)函數(shù)：

　　1、void glMapGrid1{fd}(GLint n,TYPE u1,TYPE u2);

　　定義一個(gè)網(wǎng)格，從u1到u2分為n步，它們是等間隔的。實(shí)際上，這個(gè)函數(shù)定義的是參數(shù)空間網(wǎng)格。

　　2、void glEvalMesh1(GLenum mode,GLint p1,GLint p2);

　　計(jì)算并繪制坐標(biāo)點(diǎn)。參數(shù)mode可以是GL_POINT或GL_LINE，即沿曲線繪制點(diǎn)或沿曲線繪制相連的線段。這個(gè)函數(shù)的調(diào)用效果同在p1和p2之間的每一步給出一個(gè)glEvalCoord1()的效果一樣。從編程角度來(lái)說，除了當(dāng)i=0或i=n，它準(zhǔn)確以u(píng)1或u2作為參數(shù)調(diào)用glEvalCoord1()之外，它等價(jià)于一下代碼：

glBegin(GL_POINT);　/* glBegin(GL_LINE_STRip); */ 
　　 for(i=p1;i <=p2;i++) 
　　　　 glEvalCoord1(u1+i*(u2-u1)/n); 
　　 glEnd();

　　為了進(jìn)一步說明OpenGL中曲線的繪制方法。下面我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這是用四個(gè)控制頂點(diǎn)來(lái)畫一條三次Bezier曲線。程序如下（注：這是本講座中提供的第一個(gè)完整的OpenGL實(shí)例代碼，假如讀者朋友對(duì)整個(gè)程序結(jié)構(gòu)有些迷惑的話，也不要緊，慢慢地往下看，先有一個(gè)感官上的印象，主要是把握如何實(shí)現(xiàn)曲線繪制這一部分。關(guān)于OpenGL的程序整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，筆者將在第五講中專門闡述）：

#include "glos.h" 
#include 
#include 
#include 
void myinit(void); 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h); 
void CALLBACK display(void); 
GLfloat ctrlpoints[4][3] = { 
　　 { -4.0, -4.0, 0.0 }, { -2.0, 4.0, 0.0 }, 
　　 { 2.0,　-4.0, 0.0 }, { 4.0,　4.0, 0.0 } 
}; 
void myinit(void) 
{ 
　　 glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 
glMap1f(GL_MAP1_VERTEX_3, 0.0, 1.0, 3, 4, 
&ctrlpoints[0][0]); 
　　 glEnable(GL_MAP1_VERTEX_3); 
　　 glShadeModel(GL_FLAT); 
} 
void CALLBACK display(void) 
{ 
　　 int i; 
　　 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); 
　　 glColor3f(1.0, 1.0, 1.0); 
　　 glBegin(GL_LINE_STRIP); 
　　 for (i = 0; i <= 30; i++) 
　　　　　 glEvalCoord1f((GLfloat) i/30.0); 
　　 glEnd(); 
　　 /* 顯示控制點(diǎn) */ 
　　 glPointSize(5.0); 
　　 glColor3f(1.0, 1.0, 0.0); 
　　 glBegin(GL_POINTS); 
　　 for (i = 0; i < 4; i++) 
　　　　 glVertex3fv(&ctrlpoints[i][0]); 
　　 glEnd(); 
　 glFlush(); 
} 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h) 
{ 
　 glViewport(0, 0, w, h); 
　 glMatrixMode(GL_PROJECTION); 
　 glLoadIdentity(); 
　 if (w <= h) 
glOrtho(-5.0, 5.0, -5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 
5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -5.0, 5.0); 
　 else 
glOrtho(-5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -5.0, 5.0, -5.0, 5.0); 
glMatrixMode(GL_MODELVIEW); 
glLoadIdentity(); 
　　 }

二、曲面構(gòu)造

　　曲面的繪制方法基本上與曲線的繪制方法是相同的，所不同的是曲面使用二維求值器，并且控制點(diǎn)連接起來(lái)形成一個(gè)網(wǎng)格。

　　對(duì)于曲面，求值器除了使用二個(gè)參數(shù)U、V之外，其余與一維求值器基本相同。頂點(diǎn)坐標(biāo) 、顏色、法線矢量和紋理坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)于曲面而不是曲線。在OpenGL中定義二維求值器的函數(shù)是：

void glMap2{fd}(GLenum target,TYPE u1,TYPE u2,GLint ustride,GLint uorder,TYPE v1,TYPE v2, 
GLint vstride,GLint vorder,TYPE points);

　　參數(shù)target可以是表一中任意值，不過需將MAP1改為MAP2。同樣，啟動(dòng)曲面的函數(shù)仍是glEnable()，關(guān)閉是glDisable()。u1、u2為u的最大值和最小值；v1、v2為v的最大值和最小值。參數(shù)ustride和vstride指出在控制點(diǎn)數(shù)組中u和v向相鄰點(diǎn)的跨度，即可從一個(gè)非常大的數(shù)組中選擇一塊控制點(diǎn)長(zhǎng)方形。例如，若數(shù)據(jù)定義成如下形式：

GLfloat ctlpoints[100][100][3];
　　并且，要用從ctlpoints[20][30]開始的4x4子集，選擇ustride為100*3，vstride為3，初始點(diǎn)設(shè)置為ctlpoints[20][30][0]。最后的參數(shù)都是階數(shù)，uorder和vorder，二者可以不同。

　　曲面坐標(biāo)計(jì)算函數(shù)為：

void glEvalCoord2{fd}[v](TYPE u,TYPE v);
　　該函數(shù)產(chǎn)生曲面坐標(biāo)并繪制。參數(shù)u和v是定義域內(nèi)的值。下面看一個(gè)繪制Bezier曲面的例子：

/* 控制點(diǎn)的坐標(biāo) */ 
　　 GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = { 
{{-1.5, -1.5, 2.0}, {-0.5, -1.5, 2.0}, 
　 {0.5, -1.5, -1.0}, {1.5, -1.5, 2.0}}, 
　 {{-1.5, -0.5, 1.0}, {-0.5, 1.5, 2.0}, 
{0.5, 0.5, 1.0}, {1.5, -0.5, -1.0}}, 
{{-1.5, 0.5, 2.0}, {-0.5, 0.5, 1.0}, 
{0.5, 0.5, 3.0}, {1.5, -1.5, 1.5}}, 
{{-1.5, 1.5, -2.0}, {-0.5, 1.5, -2.0}, 
{0.5, 0.5, 1.0}, {1.5, 1.5, -1.0}} 
}; 
void myinit(void) 
{ 
　　　　 glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 
　　　　 glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4, 0, 1, 12, 4, 
&ctrlpoints[0][0][0]); 
glEnable(GL_MAP2_VERTEX_3); 
glMapGrid2f(20, 0.0, 1.0, 20, 0.0, 1.0); 
glEnable(GL_DEPTH_TEST); 
　　 } 
　　 void CALLBACK display(void) 
　　 { 
　　　　 int i, j; 
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT  GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 
　　　　 glColor3f(0.3, 0.6, 0.9); 
　　　　 glPushMatrix (); 
　　　　 glRotatef(35.0, 1.0, 1.0, 1.0); 
　　　　 for (j = 0; j <= 8; j++) 
　　　　 { 
　　　　　　 glBegin(GL_LINE_STRIP); 
　　　　　　 for (i = 0; i <= 30; i++) 
　　　　　　　　 glEvalCoord2f((GLfloat)i/30.0, (GLfloat)j/8.0); 
　　　　　　 glEnd(); 
　　　　　　 glBegin(GL_LINE_STRIP); 
　　　　　　　　 for (i = 0; i <= 30; i++) 
　　　　　　　　　　 glEvalCoord2f((GLfloat)j/8.0, 
(GLfloat)i/30.0); 
　　　　　　 glEnd(); 
　　　　 } 
　　　　 glPopMatrix (); 
　　　　 glFlush(); 
　　 }

　　OpenGL中定義均勻間隔的曲面坐標(biāo)值的函數(shù)與曲線的類似，其函數(shù)形式為：

void glMapGrid2{fd}(GLenum nu,TYPE u1,TYPE u2,GLenum nv,TYPE v1,TYPE v2); 
void glEvalMesh2(GLenum mode,GLint p1,GLint p2,GLint q1,GLint q2);

　　第一個(gè)函數(shù)定義參數(shù)空間的均勻網(wǎng)格，從u1到u2分為等間隔的nu步，從v1到v2分為等間隔的nv步，然后glEvalMesh2()把這個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用到已經(jīng)啟動(dòng)的曲面計(jì)算上。第二個(gè)函數(shù)參數(shù)mode除了可以是GL_POINT和GL_LINE外，還可以是GL_FILL，即生成填充空間曲面。

　　下面舉出一個(gè)用網(wǎng)格繪制一個(gè)經(jīng)過光照和明暗處理的Bezier曲面的例程：


                         #include "glos.h" 
#include 
#include 
#include 
void myinit(void); 
void initlights(void); 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h); 
void CALLBACK display(void); 
/* 控制點(diǎn)坐標(biāo) */ 
GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = { 
　　 {{-1.5, -1.5, 2.0}, {-0.5, -1.5, 2.0}, 
　 {0.5, -1.5, -1.0}, {1.5, -1.5, 2.0}}, 
　 {{-1.5, -0.5, 1.0}, {-0.5, 1.5, 2.0}, 
{0.5, 0.5, 1.0}, {1.5, -0.5, -1.0}}, 
{{-1.5, 0.5, 2.0}, {-0.5, 0.5, 1.0}, 
{0.5, 0.5, 3.0}, {1.5, -1.5, 1.5}}, 
{{-1.5, 1.5, -2.0}, {-0.5, 1.5, -2.0}, 
{0.5, 0.5, 1.0}, {1.5, 1.5, -1.0}} 
}; 
void initlights(void) 
{ 
　　 GLfloat ambient[] = { 0.4, 0.6, 0.2, 1.0 }; 
　　 GLfloat position[] = { 0.0, 1.0, 3.0, 1.0 }; 
　　 GLfloat mat_diffuse[] = { 0.2, 0.4, 0.8, 1.0 }; 
　　 GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; 
　　 GLfloat mat_shininess[] = { 80.0 }; 
　　 glEnable(GL_LIGHTING); 
　　 glEnable(GL_LIGHT0); 
　　 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient); 
　　 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position); 
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); 
　 glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); 
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess); 
} 
void CALLBACK display(void) 
{ 
　 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT  GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 
　 glPushMatrix(); 
　 glRotatef(35.0, 1.0, 1.0, 1.0); 
　 glEvalMesh2(GL_FILL, 0, 20, 0, 20); 
　 glPopMatrix(); 
　 glFlush(); 
} 
void myinit(void) 
{ 
　　　　 glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 
　　 glEnable (GL_DEPTH_TEST); 
　 glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4, 0, 1, 12, 
4, &ctrlpoints[0][0][0]); 
　 glEnable(GL_MAP2_VERTEX_3); 
　 glEnable(GL_AUTO_NORMAL); 
　 glEnable(GL_NORMALIZE); 
　 glMapGrid2f(20, 0.0, 1.0, 20, 0.0, 1.0); 
initlights(); 
} 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h) 
{ 
　　 glViewport(0, 0, w, h); 
　　 glMatrixMode(GL_PROJECTION); 
　　 glLoadIdentity(); 
　　 if (w <= h) 
glOrtho(-4.0, 4.0, -4.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 
4.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -4.0, 4.0); 
else 
　 glOrtho(-4.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 
4.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -4.0, 4.0, -4.0, 4.0); 
glMatrixMode(GL_MODELVIEW); 
glLoadIdentity(); 
} 
void main(void) 
{ 
　　 auxInitDisplayMode (AUX_SINGLE  AUX_RGBA); 
　 auxInitPosition (0, 0, 500, 500); 
　 auxInitWindow ("Lighted and Filled Bezier Surface"); 
　 myinit(); 
　 auxReshapeFunc (myReshape); 
　 auxMainLoop(display); 
}

三、圖元逼近法繪制三維物體
　　在OpenGL的輔助庫(kù)中，提供了繪制11種基本幾何圖形的函數(shù)，具體參考第一講的有關(guān)內(nèi)容，在此不再贅述。這里我們討論用另外一種方法來(lái)繪制三維物體。
　　需要注重的是，這里我們用來(lái)近似曲面的多邊形最好選擇三角形，而不是四邊形或其他外形的多邊形，這是因?yàn)槿切蔚娜齻€(gè)頂點(diǎn)在任何時(shí)候都位于同一平面內(nèi)，它一定是非常簡(jiǎn)單的非凹多邊形，而四邊形或其他多邊形的頂點(diǎn)可能不在同一平面內(nèi)，也就有可能不是簡(jiǎn)單多邊形，對(duì)于這樣的多邊形，OpenGL是不能正常處理的。假設(shè)我們繪制一個(gè)球體，球體表面用很多個(gè)小三角形拼接而成，顯然，用來(lái)近似球面的三角形越小、三角形越多，那么球面就越光滑。為了簡(jiǎn)要地說明如何用三角形逼近球體，這里我們使用三角形來(lái)構(gòu)造一個(gè)20面體，二十面體的頂點(diǎn)坐標(biāo)定義在vdata[][]數(shù)組中，tindinces[][]數(shù)組定義了構(gòu)成二十面體的二十個(gè)三角形頂點(diǎn)的繪制順序。下面是主要實(shí)現(xiàn)代碼：

#define x 5.25731 
#define z 8.50651 
static GLfloat vdata[12][3]={ 
{x,0.0,z},{x,0.0,z},{-x,0.0,-z},{x,0.0,-z}, 
{0.0,z,x},{0.0,z,-x},{0.0,-z-x},{0.0,-z,-x}, 
{z,x,0.0},{-z,x,0.0},{z,-x,0.0},{-z,-x,0.0} 
}; 
static GLint tindices[20][3]={ 
{0,4,1},{0,9,4},{9,5,4},{4,5,8},{4,8,1}, 
{8,10,1},{8,3,10},{5,3,8},{5,2,3},{2,7,3}, 
{7,10,3},{7,6,10},{7,11,6},{11,0,6}, 
{6,1,10},{9,0,11},{9,11,2},{9,2,5},{7,2,11} 
}; 
glColor3f(1.0, 0.0, 0.0); 
for(int i=0;i <20;i++){ 
glBegin(GL_TRIANGLES); 
glVertex3fv(&vdata[tindices[i][0]][0]); 
glVertex3fv(&vdata[tindices[i][1]][0]); 
glVertex3fv(&vdata[tindices[i][2]][0]); 
glEnd(); 
}