Question

OPENGL是什么?

是什么?

Answer 1

OpenGL三维图形标准是由AT＆T公司UNIX软件实验室、IBM
、DEC、SUN、HP、Microsoft和SGI等多家公司在GL图形库标准的基础
上联合推出的开放式图形库，它使在微机上实现三维真实
感图形的生成与显示成为可能。由于OpenGL是开放的图形标
准，用户原先在UNIX下开发的OpenGL图形软件很容易移植到微
机上的WindowsNT／95上。笔者在VisualC＋＋4.1(以下简称VC)集
成环境下，开发了基于OpenGL的三维真实感图形应用程序，现
介绍如下。

微机上的OpenGL开发环境

基于OpenGL标准开发的应用程序必须运行于32位Windows
平台下，如WindowsNT或Windows95环境；而且运行时还需有动态
链接库OpenGL32.DLL、Glu32.DLL，这两个文件在安装WindowsNT时已
自动装载到C：\WINNT\SYSTEM32目录下(这里假定用户将WindowsNT
安装在C盘上)；而对于使用Windows95平台的用户，则需手工将
两个动态库复制到Windows95目录的SYSTEM子目录中。安装了
WindowsNT／95和VC4.1后，用户就具备了基于OpenGL开发三维图
形软件的基本条件。

OpenGL程序设计的基本步骤

1.OpenGL在WindowsNT下的运行机制

OpenGL工作在客户机／服务器模式下，当客户方(即基
于OpenGL标准开发的应用程序)向服务器(OpenGL核心机制)发出
命令时，由服务器负责解释这些命令。通常情况下，客户方
和服务器是运行在同一台微机上的。由于OpenGL的运行机制
是客户机／服务器模式，这使得用户能够十分方便地在网
络环境下使用OpenGL，OpenGL在WindowsNT上的这种实现方式通常
称为网络透明性。

OpenGL的图形库函数封装在动态链接库OpenGL32.DLL中，

客户机中的所有OpenGL函数调用，都被传送到服务器上，由
WinSrv.DLL实现功能，再将经过处理的指令发送到Win32设备驱
动接口(DDI)，从而实现在计算机屏幕上产生图像。

若使用OpenGL图形加速卡，则上述机制中将添加两个
驱动器：OpenGL可装载客户模块(OpenGLICD)将安装在客户端；硬
件指定DDI将安装在服务器端，与WinDDI同一级别。

2.OpenGL的库函数

开发基于OpenGL的应用程序，必须先了解OpenGL的库函
数。OpenGL函数命令方式十分有规律，每个库函数均有前缀gl
、glu、aux，分别表示该函数属于OpenGL基本库、实用库或辅助
库。WindowsNT下的OpenGL包含了100多个核心函数，均以gl作为前
缀，同时还支持另外四类函数：

OpenGL实用库函数：43个，以glu作为前缀；
OpenGL辅助库函数：31个，以aux作为前缀；
Windows专用库函数(WGL)：6个，以wgl作为前缀；
Win32API函数(WGL)：5个，无前缀。

OpenGL的115个核心函数提供了最基本的功能，可以实

现三维建模、建立光照模型、反走样、纹理映射等；OpenGL实
用库函数在核心函数的上一层，这类函数提供了简单的调
用方法，其实质是调用核心函数，目的是减轻开发者的编程
工作量；OpenGL辅助库函数是一些特殊的函数，可以供初学者
熟悉OpenGL的编程机制，然而使用辅助库函数的应用程序只
能在Win32环境中使用，可移植性较差，所以开发者应尽量避
免使用辅助库函数；Windows专用库函数(WGL)主要针对WindowsNT
／95环境的OpenGL函数调用；Win32API函数用于处理像素存储格
式、双缓存等函数调用。

3.VC环境下基于OpenGL的编程步骤

下面介绍在VC环境中建立基于Opeetting菜单选项，在Link栏的Lib输入域中
添加openg132.lib、glu32.lib，若需使用OpenGL的辅助库函数，则还
需添加glaux.lib。

(3)选择View／ClassWizard菜单选项，打开MFC对话框，在
ClassName栏中选择CMyTestView类，进行以下操作：

选择WM_CREATE消息，鼠标单击EditCode，将OpenGL初始化代码
添加到OnCreate()函数中：

／＊定义像素存储格式＊／

PIXELFORMATDESCRIPTORpfd=
{
sizeof(PIXELFORMATDESCRIPTOR)，
1，
PFD_DRAW_TO_WINDOW|PFD_SUPPORT_OPENGL,
PFD_TYPE_RGBA,
24，
0，0，0，0，0，0，
0，0，0，0，0，0，0
32，
0，0，
PFD_MAIN_PLANE,
0,
0,0,0,
}
CCLientdc(this);
intpixelFormat=ChoosePixelFormat(dc.m_hDC,＆pfd);
BOOLsuccess=SetPixelFormat(dc.m_hDC,pixelFormat,＆pfd);
m_hRC=wglCreateContext(dc.m_hDC);

选择WM_DESTORY消息，在OnDestory()中添加以下代码：

wglDeleteContext(m_hRC);

在MyTestView.cpp中，将以下代码添加到PreCreateWindows()函数中：

cs.style|=WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS；
OpenGL只对WS_CLIPCHILDREN|WS_CLIPSIBLINGS类型窗口有效；

在MyTestView.cpp中，将以下代码添加到OnDraw()函数中：

wglMakeCurrent(pDC－>m_hDC,m_hRC);
DrawScene();／／用户自定义函数，用于绘制三维场景；
wglMakeCurrent(pDC－>m_hDC,NULL);

在MyTestView.cpp中，添加成员函数DrawScene()：

voidCMyTestView::DrawScene()
{／＊绘制三维场景＊／}
(4)在MyTestView.h中包含以下头文件并添加类成员说明：
＃include
＃include

＃include
在CTestView类中的protected：段中添加成员变量声明：
HGLRCm_hRC;
同时添加成员函数声明：
DrawScene();

这样，一个基于OpenGL标准的程序框架已经构造好，用
户只需在DrawScene()函数中添加程序代码即可。

建立三维实体模型

三维实体建模是整个图形学的基础，要生成高逼真
度的图像，首先要生成高质量的三维实体模型。

OpenGL中提供了十几个生成三维实体模型的辅助库函
数，这些函数均以aux作为函数名的前缀。简单的模型，如球
体、立方体、圆柱等可以使用这些辅助函数来实现，如
auxWireSphere(GLdoubleradius)(绘制一半径为radius的网状球体)。
但是这些函数难以满足建立复杂三维实体的需要，所以用
户可以通过其它建模工具(如3DS等)来辅助建立三维实体模
型数据库。笔者在三维实体的建模过程中采用3DS提供的2D
Shape、3DLofter和3DEditor进行模型的编辑，最后通过将模型数

据以DXF文件格式输出存储供应用程序使用。

真实感图形的绘制

1.定义光照模型和材质

(1)光源。OpenGL提供了一系列建立光照模型的库函
数，使用户可以十分方便地在三维场景中建立所需的光照
模型。OpenGL中的光照模型由环境光(AmbientLight)、漫射光
(DiffuseLight)、镜面反射光(SpecularLight)等组成，同时还可设
置光线衰减因子来模拟真实的光源效果。

例如，定义一个黄色光源如下：

GlfloatLight_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0,};
GlfloatLight_diffuse[]={1.0,1.0,0.0,1.0,};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSTTION,light_position);／／定义光源位置
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);／／定义光源漫射光
光源必须经过启动后才会影响三维场景中的实体，可以通过以下指令使光源有效：<
glEnable(LIGHTING);／／启动光照模型；
glEnable(GL_LIGHT0);／／使光源GL_LIGHT0有效；
OpenGL中一共可以定义GL_LIGHT0～GL_LIGHT7八个光源。

(2)材质。OpenGL中的材质是指构成三维实体的材料在
光照模型中对于红、绿、蓝三原色的反射率。与光源的定义
类似，材质的定义分为环境、漫射、镜面反射成分，另外还
有镜面高光指数、辐射成分等。通过对三维实体的材质定义
可以大大提高应用程序所绘制的三维场景的逼真程度。例
如：

／＊设置材质的反射成分＊／

GLfloatmat_ambient[]={0.8,0.8,0.8,1.0}；
GLfloatmat_diffuse[]={0.8,0.0,0.8,1.0};／＊紫色＊／
GLfloatmat_specular[]={1.0,0.0,1.0,1.0};／＊镜面高光亮紫色＊／
GLfloatmat_shiness[]={100.0};／＊高光指数＊／
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_AMBIENT,mat_ambient);／＊定义环境光反射率＊／
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);／＊定义漫射光反射率＊／
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular);／＊定义镜面光反射率＊／
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHINESS,mat_shiness);／＊定义高光指数＊／

(3)材质RGB值与光源RGB值的关系。OpenGL中材质的颜色
与光照模型中光源的颜色含义略有不同。对于光源，R、G、B
值表示三原色在光源中所占有的比率；而对于材质定义，R、

G、B的值表示具有这种材质属性的物体对于三原色的反射
比率，场景中物体所呈现的颜色与光照模型、材质定义都相
关。例如，若定义的光源颜色是(Lr,Lg,Lb)=(1.0,1.0,1.0)(白光)，
物体的材质颜色定义为(Mr,Mg,Mb)=(0.0,0.0,0.8)，则最终到达人
眼的物体颜色应当是(Lr＊Mr,Lg＊Mg,Lb＊Mb)=(0.0,0.0,0.8)(蓝色)。

2.读取三维模型数据

为了绘制三维实体，我们首先必须将预先生成的三
维实体模型从三维实体模型库中读出。下图描述了读取三
维实体模型的流程。

3.三维实体绘制

由于3DS的DXF文件中对于三维实体的描述是采用三角
形面片逼近的方法，而在OpenGL函数库中，提供了绘制三角形
面片的方法，所以为三维实体的绘制提供了方便。以下提供
了绘制三角形面片的方法：

glBegin(TRANGLES);／／定义三角形绘制开始
glVertexf((GLfloat)x1,(GLfloat)y1,(GLfloat)z1);／／第一个顶点
glVertexf((GLfloat)x2,(GLfloat)y2,(GLfloat)z2);／／第二个顶点

glVertexf((GLfloat)x3,(GLfloat)y3,(GLfloat)z3);／／第三个顶点
glEnd();／／绘制结束

为了提高三维实时动画的显示速度，我们利用了
OpenGL库中的显示列表(DisplayList)的功能，将三维场景中的实
体分别定义为单独的显示列表，预先生成三维实体。在图形
显示时，只需调用所需的显示列表即可显示相应的三维实
体，而不需要重新计算实体在场景中的坐标，避免了大量的
浮点运算。在调用显示列表前所作的旋转、平移、光照、材
质的设定都将影响显示列表中的三维实体的显示效果。具
体实现算法如下：

for(ObjectNo=0;ObjectNo<实体个数;ObjectNo＋＋)
{
glNewList(ObjectNo,GL_COMPILE);／／创建第ObjectNo个实体的显示列表
for(Fac

OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家
世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通
用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、
HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL
为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画制作软件Soft Image
和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软件World Tool Kit、CAM软
件ProEngineer、GIS软ARC/INFO等等。值得一提的是，随着Microsoft公司在
Windows NT和最新的Windows 95中提供了OpenGL标准及OpenGL三维图形加速卡
（如北京黎明电子技术公司的AGC-3D系列三维图形加速卡）的推出，OpenGL将
在微机中有广泛地应用，同时也为广大用户提供了在微机上使用以前只能在高
性能图形工作站上运行的各种软件的机会。

OpenGL实际上是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，
以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL可以
与Visual C++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算
法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。它具有七大功能：

1) 建模 OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提
供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面
（如Bezier、Nurbs等曲线或曲面）绘制函数。
2) 变换 OpenGL图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、
旋转、变比镜像四种变换，投影变换有平行投影（又称正射投影）和透
视投影两种变换。其变换方法与机器人运动学中的坐标变换方法完全一
致，有利于减少算法的运行时间，提高三维图形的显示速度。
3) 颜色模式设置 OpenGL颜色模式有两种，即RGBA模式和颜色索引(Color Index)。
4) 光照和材质设置 OpenGL光有辐射光(Emitted Light)、环境光
(Ambient Light)、漫反射光(Diffuse Light)和镜面光(Specular Light)。
材质是用光反射率来表示。场景(Scene)中物体最终反映到人眼的颜色是光
的红绿蓝分量与材质红绿蓝分量的反射率相乘后形成的颜色。
5) 纹理映射(Texture Mapping) 利用OpenGL纹理映射功能可以十分逼真
地表达物体表面细节。
6) 位图显示和图象增强 图象功能除了基本的拷贝和像素读写外，还提供
融合(Blending)、反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理。
以上三条可是被仿真物更具真实感，增强图形显示的效果。
7) 双缓存(Double Buffering)动画 双缓存即前台缓存和后台缓存，简而言
之，后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。
此外，利用OpenGL还能实现深度暗示(Depth Cue)、运动模糊(Motion Blur)等
特殊效果。从而实现了消隐算法。