OpenGL Study Note --- 基本的窗口程序

OpenGL是图形硬件的一种软件接口。OpenGL的设计目标就是作为一种流线型的、独立于硬件的接口，可以在许多不同的硬件平台上实现。为了实现这个目标，OpenGL并未包含用于执行窗口任务或者获取输入之类的函数。反之，必须通过具体的窗口系统来控制OpenGL应用程序所使用的特定硬件。OpenGL也并没有提供用于描述三维物体模型的高级函数。在OpenGL中，程序员必须根据一些为数不多的基本几何图元（如点、直线和多边形）来创建所需要的模型。

OpenGL工具库（GLU）提供了许多建模功能，例如二次曲面以及NURBS曲线和曲面。GLU是所有OpenGL实现的一个标准组成部分。

OpenGL对场景中的图像进行渲染时所执行的主要操作为：

1、根据几何图元创建形状，从而建立物体的数学描述。（OpenGL把点、直线、多边形和位图作为基本的图元。）

2、在三维空间中排列物体，并选择观察符合场景的有利视角。

3、计算所有物体的颜色。颜色可以是由应用程序明确指定的，也可以是根据特定的光照条件所确定的，或者是通过纹理贴到物体的表面而获得的，或者是上述这三种操作的混合产物。

4、把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换为屏幕上的像素。这个过程称为光栅化（rasterization）。

GLUT， OpenGL实用工具库

OpenGL包含了许多渲染函数，但它们的设计目的是独立于任何窗口系统或操作系统。因此，它并没有包含打开窗口或者从键盘或鼠标读取事件的函数。GLUT可用来简化打开窗口、检测输入等任务。GLUT还包含了一些函数，用于创建一些更为复杂的三维物体，例如球体、圆环面和茶壶等。

窗口管理

GLUT通过5个函数执行初始化窗口所需要的任务：

- glutInit(int *argc, char **argv)对GLUT进行初始化，并处里所有的命令行参数（对于X系统，这将是类似 -display和-geometry的选项）。glutInit()应该在调用其他任何GLUT函数之前被调用。

- glutInitDisplayMode(unsigned int mode)指定了是使用RGBA模式还是颜色索引模式。另外还可以指定是使用单缓冲还是使用双缓冲窗口。如果使用颜色索引模式，就需要把一些颜色加载到颜色映射表中，这个任务可以用glutSetColor()来完成。最后，还可以使用这个函数来表示希望窗口拥有相关联的深度、模板、多重采样和/或累积缓冲区。

- glutInitWindowPosition(int x, int y)指定了窗口左上角的屏幕位置。

- glutInitWindowSize(int width, int height)指定了窗口的大小（以像素为单位）。

int glutCreateWindow(char *string)创建一个支持OpenGL渲染环境的窗口。这个函数返回一个唯一的标识符，标识了这个窗口。在调用glutMainLoop()函数之前，这个窗口并没有被显示。

显示回调函数

glutDisplayFunc(void (*func)(void))函数，每当GLUT确定一个窗口的内容需要重新显示时，通过glutDisplayFunc() 所注册的那个回调函数就会被执行。应次应该把重绘场景所需要的所有代码都放在这个显示回调函数里。

如果程序修改了窗口的内容，有时候可能需要调用glutPostRedisplay()，这个函数将会指示glutMainLoop()调用已注册的显示回调函数。

运行程序

最后，必须调用glutMainLoop()来启动程序。所有已经创建的窗口将会在这时显示，对这些窗口的渲染也开始生效。事件处理循环开始启动，已注册的显示回调函数被触发。一旦进入循环，它就永远不会退出。

OpenGL的Hello World

#include <GL/glut.h>

#define kWindowWidth   400
#define kWindowHeight  300

void initGL(void) {
    /* Select  clearing (background) color */
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

    /* Initialize viewing values                   */
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    glOrtho(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, -1.0, 1.0);
}

void DrawGLScene(void) {
    /* clear all pixel */
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    /* draw white polygon (rectangle) with corners at
     * (0.25, 0.25, 0.0) and (0.75, 0.75, 0.0)
     */
    glColor3f(0, 0.5, 1.0);
    glBegin(GL_POLYGON);
        glVertex3f(0.25, 0.25, 0.0);
        glVertex3f(0.75, 0.25, 0.0);
        glVertex3f(0.75, 0.75, 0.0);
        glVertex3f(0.25, 0.75, 0.0);
    glEnd();

    /* don't wait
     *  start processing buffered OpenGL routines
     */
    glFlush();
}

void ResizeGLScene(int width, int height) {

}

/*
 *  Declare initial window size, position, and display mode
 *  (single buffer and RGBA). Open window with "hello"
 *  in its title bar. Call initialization routines.
 *  Register callback function to display graphics.
 *  Enter main loop and process events.
 */
int main(int argc, char **argv) {
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
    glutInitWindowSize(kWindowWidth, kWindowHeight);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow(argv[0]);

    initGL();

    glutDisplayFunc(DrawGLScene);
    glutReshapeFunc(ResizeGLScene);
    glutMainLoop();

    return 0;
}

程序运行的前提当然为系统有OpenGL的一个实现，系统中存在GLUT library。Ubuntu上，编译时可使用如下的编译命令：

$ g++ -lglut -o OpenGLTest01 main.cpp

处理输入事件

可以使用下面这些函数注册一些回调函数，当指定的事件发生时，这些函数便会被调用：

- glutReshapeFunc(void (*func)(int w, int h))表示当窗口的大小发生改变时应该采取什么行动。

- glutKeyboardFunc(void (*func)(unsigned char key, int x, int y))和glutMouseFunc(void (*func)(int button, int state, int x, int y))允许把键盘上的一个键或鼠标上的一个按钮与一个函数相关联，当这个键或按钮被按下或释放时，这个函数就会被调用。

- glutMotionFunc(void (*func)(int x, int y))注册了一个函数，当按下一个鼠标按钮移动鼠标时，这个函数就会被调用。

空闲处理

可以在glutIdleFunc(void (*func)(void))回调函数中指定一个函数，如果不存在其他尚未完成的事件，就执行这个函数。这个回调函数接受一个函数指针作为它的唯一参数。如果向它传递NULL（0），就相当于禁用这个函数。

动画 = 重绘 + 交换

#include <GL/glut.h>
#include <stdlib.h>

#define kWindowWidth   400
#define kWindowHeight  300

static GLfloat spin = 0.0;

void initGL(void) {
    /* Select  clearing (background) color */
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
    glShadeModel(GL_FLAT);
}

void DrawGLScene(void) {
    /* clear all pixel */
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    glPushMatrix();
    glRotatef(spin, 0.0, 0.0, 1.0);
    glColor3f(0, 0.5, 1.0);
    glRectf(-0.75, -0.75, 0.75, 0.75);
    glPopMatrix();
    glutSwapBuffers();
}

void spinDisplay(void) {
    spin = spin + 2.0;
    if(spin > 360.0)
        spin = spin - 360;
    glutPostRedisplay();
}

void ResizeGLScene(int width, int height) {
    glViewport(0, 0, (GLsizei) width, (GLsizei) height);
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);

    glLoadIdentity();
    glOrtho(-2.0, 2.0, -2.0, 2.0, -1.0, 1.0);
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
}

void mouse(int button, int state, int x, int y) {
    switch(button) {
    case GLUT_LEFT_BUTTON:
        if(state == GLUT_DOWN)
            glutIdleFunc(spinDisplay);
        break;
    case GLUT_MIDDLE_BUTTON:
        if(state == GLUT_DOWN)
            glutIdleFunc(NULL);
        break;
    default:
        break;
    }
}

/*
 *  Request double buffer dispaly mode.
 *  Register mouse input callback functions.
 */
int main(int argc, char **argv) {
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
    glutInitWindowSize(kWindowWidth, kWindowHeight);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow(argv[0]);

    initGL();

    glutDisplayFunc(DrawGLScene);
    glutReshapeFunc(ResizeGLScene);
    glutMouseFunc(mouse);
    glutMainLoop();

    return 0;
}