基于ＧＬＵＴ的ＯｐｅｎＧＬ程序設(shè)計

摘 要：針對OpenGL不包含窗口管理和事件檢測等功能的缺陷，GLUT(OpenGL Utility Toolkit)工具包對窗口和事件的管理工作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和簡化。簡要介紹GLUT的主要功能和安裝方法，給出一個基于GLUT的程序框架，詳細(xì)分析基于回調(diào)函數(shù)的事件管理、變換順序及堆棧操作、坐標(biāo)系等技術(shù)。為更復(fù)雜的圖形程序設(shè)計提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GLUT程序框架；回調(diào)函數(shù)；變換順序；堆棧操作

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—071—03

OpenGL是國際上通用的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，他包含大量高效的繪制函數(shù)，具有移植性好、開放等優(yōu)點。Open—GL獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，因此他沒有建立并管理窗口的函數(shù)，也沒有檢測鼠標(biāo)鍵盤事件的函數(shù)。但是在圖形程序中，不論是微軟的Windows還是Unix等，圖形均在窗口中展現(xiàn)，因此圖形程序必須至少打開一個窗口。并且，圖形程序一般均有交互功能，包括使用人員和圖形程序之間的交互，以及圖形程序接受操作系統(tǒng)或窗口系統(tǒng)提供的服務(wù)。因此，在具體的操作系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)下進(jìn)行OpenGL圖形程序設(shè)計時，設(shè)計人員把相當(dāng)多的時間與精力花費在窗口建立和管理、事件檢測與處理等與虛擬仿真關(guān)系并不緊密的環(huán)節(jié)上。例如在Windows下，設(shè)計人員必須關(guān)聯(lián)繪制描述表RC和設(shè)備描述表DC，必須設(shè)置超過20個元素的象素格式。在微軟基礎(chǔ)類庫MFC下，設(shè)計人員必須了解更為復(fù)雜的消息映射、類型識別、動態(tài)生成、命令傳遞等。這些不但增加了圖形程序開發(fā)的工作量，而且影響了圖形程序開發(fā)的效率。

GLUT(OpenGL Utility Toolkit)是Mark Kilgard開發(fā)的OpenGL實用工具包，他對窗口和事件的管理工作進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和簡化，而且被移植到各種OpenGL實現(xiàn)中，包括X窗口系統(tǒng)和微軟的視窗系統(tǒng)。利用GLUT開發(fā)OpenGL圖形程序，可以使設(shè)計人員以GLUT提供的程序框架為基礎(chǔ)，集中精力進(jìn)行圖形開發(fā)，從而提高程序設(shè)計效率。

1 GLUT主要功能

GLUT提供了許多實用的功能，如多視窗的繪制、回調(diào)函數(shù)驅(qū)動的事件管理、支持多種輸入設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、空間球等)、空閑事件與定時器、下拉式菜單管理、三維幾何模型繪制、位圖與字體等。下面介紹常用的一些功能。

1.1 窗口初始化

包括4個函數(shù)。函數(shù)glutInit用于初始化并處理命令行參數(shù)。函數(shù)glutlnitDisplayMode用于初始化顯示模式，如顏色為RGBA模式還是索引模式，使用單緩存還是雙緩存，是否使用深度緩存、模板緩存及累積緩存等。函數(shù)glutInitWindowPosition指定窗口左上角在屏幕上的位置。函數(shù)glutlnitWindowSize指定窗口的大小，以象素為單位。

1.2 事件處理

只有一個函數(shù)glutMainLoop，他用于顯示創(chuàng)建的窗口，處理輸入的事件，觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，進(jìn)入循環(huán)直到程序退出。

1.3 窗口和菜單管理

窗口管理包含18個函數(shù)，用于建立、銷毀窗口及可能的子窗口，管理和設(shè)置窗口的屬性。其中比較重要的如函數(shù)glutCreateWindow，用于建立一個新的頂層窗口，函數(shù)glutCreateSubWindow建立一個子窗口，函數(shù)glutPos—tRedisplay用于提醒glutMainLoop調(diào)用注冊的顯示回調(diào)函數(shù)，函數(shù)glutSwapBuffers用于交換當(dāng)前窗口的前后緩沖。菜單管理用以設(shè)計簡單的下拉式菜單，包含11個函數(shù)，如創(chuàng)建菜單函數(shù)glutCreateMenu，glutAddMenuEntry，設(shè)置當(dāng)前菜單glutSetMenu等函數(shù)。

1.4 回調(diào)函數(shù)注冊

GLUT中有20個回調(diào)函數(shù)，用于響應(yīng)用戶事件。最重要的回調(diào)函數(shù)是glutDisplayFunc，當(dāng)GLUT認(rèn)為需要重新顯示窗口內(nèi)容時，都將執(zhí)行這一函數(shù)注冊的回調(diào)函數(shù)。另外一些重要的回調(diào)函數(shù)注冊函數(shù)有，函數(shù)glutRe—shapeFunc用于注冊窗口大小改變這一事件發(fā)生時GLUT將調(diào)用的函數(shù)。glutKeyboardFunc和glutMouseFunc用于注冊鍵盤和鼠標(biāo)事件發(fā)生時的回調(diào)函數(shù)。函數(shù)glutMo—tionFunc注冊鼠標(biāo)移動事件的回調(diào)函數(shù)。這3個函數(shù)用于人機(jī)交互處理。在沒有其他事件處理時，GLUT將調(diào)用函數(shù)glutIdleFunc注冊的函數(shù)，而函數(shù)glutTimerFunc則注冊處理定時器事件的函數(shù)。

1.5幾何建模函數(shù)

OpenGL繪圖函數(shù)只能生成點、直線、多邊形等簡單的幾何圖元，GLUT提供了18個創(chuàng)建三維物體的函數(shù)。利用他們可以創(chuàng)建9種三維物體，如圓錐體、立方體、球體等，每一物體有線框和實體2種方式。

2 GLUT的安裝

在WindowsXP／Visual C++6.0下進(jìn)行GLUT編程時，首先要進(jìn)行OpenGL的基本設(shè)置，然后再進(jìn)行GLUT設(shè)置。

2.1 OpenGL基本設(shè)置

進(jìn)行OpenGI，基本設(shè)置時，必須加入3個OpenGL庫，分別是opengl32.lib，glu32.lib和glaux.lib。具體的方法是在Visual C++6.0環(huán)境中，依次選擇“項目”，“設(shè)置”，“鏈接”，“對象／庫模塊”，然后添加\"opengl32．lib glu32．libglaux.lib”，必須注意3個文件之間的分隔符不是逗號而是空格。在程序開發(fā)時，必須包含2個OpenGL頭文件，即gl.h和glu.h。在Visual C++6.0中，還需要在這兩個文件之前包含頭文件windows.h，這是因為在gl.h和glu.h中使用了一些在windows.h中定義的宏。

2.2 GLUT的安裝

GLUT的安裝包括3項內(nèi)容。

(1)將glut32.dll文件復(fù)制到操作系統(tǒng)的System32或System目錄下；

(2)將glut.h文件復(fù)制到Visual C++安裝目錄下的Include＼GI．文件夾下；

(3)將glut32.lib文件復(fù)制到到Visual C++安裝目錄下的Lib文件夾下；

上述設(shè)置結(jié)束后，在編程應(yīng)用中，將頭文件glut.h包含在gl.h和glu.h之后即完成GLUT的安裝設(shè)置。

3 GLUT的程序框架

基于GLUT的OpenGL圖形程序包含了主函數(shù)，顯示回調(diào)函數(shù)display和窗口大小改變時的回調(diào)函數(shù)re—shape，一個相對完整的GLUT程序基本框架如下所示。

為使結(jié)構(gòu)清晰，將一次性設(shè)置放在一個函數(shù)init中，可在init函數(shù)中設(shè)置諸如打開光源、深度測試等。在主函數(shù)中，調(diào)用顯示回調(diào)函數(shù)display以在必要時重新顯示窗口圖形，回調(diào)函數(shù)reshape響應(yīng)窗口大小改變這一事件。最后調(diào)用函數(shù)glutMainLoop進(jìn)入事件處理循環(huán)直到程序結(jié)束。

4 值得注意的問題

4.1 事件管理

GLUT中事件管理相當(dāng)方便。即只要在主函數(shù)中注冊相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，然后在回調(diào)函數(shù)中編寫響應(yīng)事件的代碼即可。例如對于得理鼠標(biāo)事件的回調(diào)函數(shù)mouse，先調(diào)用函數(shù)glutMoseFunc對mouse進(jìn)行注冊：glutMouseFunc(mouse)；然后在注冊的回調(diào)函數(shù)mouse中編寫響應(yīng)事件的代碼即可：

GLUT中注冊函數(shù)的原型有一致的格式，即glut***Fune，同時回調(diào)函數(shù)的返回值均為void型，一致的格式有助于提高程序開發(fā)的效率。

4.2 變換過程

在OpenGL中模型從建立到顯示于計算機(jī)屏幕上要經(jīng)過一系列的變換。這一過程包括視點變換、模型變換、投影變換和視口變換。在GLUT程序框架中，明確給出這4種變換的函數(shù)調(diào)用。

在display中給出視點變換和模型變換。視點變換調(diào)用的是實用函數(shù)gluLookAt，其參數(shù)分別定義視點位置、視線方向和向上方向。由于視點變換可以由模型變換的反方向變換來模擬完成，因此，視點變換和模型變換可以用一個變換模式。即在reshape函數(shù)中以參數(shù)GL MOD—ELVIEW調(diào)用函數(shù)glMatrixMode。對于模型變換，上述框架中為縮放變換，即通過調(diào)用glSalef函數(shù)完成，也可以根據(jù)需要進(jìn)行平移變換，即調(diào)用glTranslate函數(shù)。

在reshape函數(shù)中給出了投影變換和視口變換。投影變換有正投影和透視投影2種方式，框架中給出的是正投影、調(diào)用函數(shù)glOrtho、透視投影調(diào)用函數(shù)glFrutrum、或者調(diào)用gluPerspectvie函數(shù)，用以設(shè)置投影體的位置和大小。視口變換其實是一種比例變換，用以將投影映射到計算機(jī)屏幕上。另外必須注意的是，GLUT的屏幕坐標(biāo)系與OpenGL有所不同：OpenGL的屏幕坐標(biāo)系原點在窗口左下角，x軸向右，y軸向上；而GLUT屏幕坐標(biāo)系原點在窗口左上角，x軸向右但y軸向下。

4.3 兩個坐標(biāo)系

通常在圖形程序中要對模型進(jìn)行多種變換，變換順序不同，變換結(jié)果也不相同。這是因為變換的本質(zhì)是矩陣乘法，而矩陣乘法不滿足交換率。因此變換的順序是圖形程序開發(fā)時必須注意的一個重要問題。

對于變換有2種考慮方法：一種是在全局坐標(biāo)系，另一種是局部坐標(biāo)系。在全局坐標(biāo)系下考慮變換時，模型的平移和旋轉(zhuǎn)均是針對全局坐標(biāo)系的，此時全局坐標(biāo)系固定不動，變換的是模型的大小或位置。這一方式有助于確定變換后的模型在全局坐標(biāo)系中的絕對位置，但缺點是，程序代碼與變換順序相反，即如果要先平移后旋轉(zhuǎn)，則在程序代碼中先調(diào)用glRotatef函數(shù)后調(diào)用glTranslate函數(shù)。在局部坐標(biāo)系下考慮變換時，設(shè)想局部坐標(biāo)系是固接于模型上的，因此變換過程中模型和坐標(biāo)系均是變化的。在此情況下，模型的變換是圍繞局部坐標(biāo)系的，這一方法的優(yōu)點是，程序代碼與變換順序相同。這在開發(fā)諸如機(jī)器人等圖形程序時相當(dāng)方便。但這一方法的不足之處是，由于坐標(biāo)系隨模型同時變換，當(dāng)存在不均勻的縮放變換時，即模型沿各坐標(biāo)軸的縮放系數(shù)不一樣時，坐標(biāo)系各軸同樣進(jìn)行了縮放，這一縮放影響到后續(xù)的平移變換。針對這一情況可以利用堆棧操縱函數(shù)解決，即利用glPushMatrix函數(shù)保存當(dāng)前狀態(tài)，而用glPopMatrix函數(shù)恢復(fù)當(dāng)前狀態(tài)。

4.4 動畫實現(xiàn)

動畫是圖形程序的重要特色之一。動畫實現(xiàn)有多種方式，例如在GLUT程序框架中不斷改變視點位置即可達(dá)到動畫效果，或者不斷改變模型位置和方向也可以實現(xiàn)。在GLUT中可以利用空閑時間注冊函數(shù)glutldel—Fune或定時器注冊函數(shù)glutTimerFunc實現(xiàn)動畫功能。為了提高刷新效率，可以利用GLUT提供的前后緩存交換繪制函數(shù)glutSwapBuffers，此時要在顯示模式函數(shù)中開啟雙緩存選項GLUT DOUBLE。

5 結(jié) 語

本文介紹了GLUT的基本功能和安裝設(shè)置，他可以讓設(shè)計人員集中精力進(jìn)行圖形程序設(shè)計。給出GLUT程序框架，詳細(xì)介紹了框架中矩陣變換在程序中的具體實現(xiàn)，變換順序?qū)ψ儞Q結(jié)果的影響。詳細(xì)介紹了坐標(biāo)變換在全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系下的考慮方式及各自特點。在此框架基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行更復(fù)雜的圖形程序開發(fā)。