OpenGL函数

      开发基于OpenGL的应用程序，必须先了解OpenGL的库函数。它采用C语言风格，提供大量的函数来进行图形的处理和显示。OpenGL图形库一共有100多个函数，它们分别属于OpenGL的基本库、实用库、辅助库等不同的库。
      OpenGL 全称"开放式图形库"，是由SGI公司开发的低层三维图形API，目前在图形开发领域已经成为工业标准。现今市面上关于OpenGL方面的书籍不在少数，但是大多是讲解句法和实例，缺乏对其整个程序开发框架的总结与把握，所以总体上显得比较凌乱。本篇文章主要针对初学者（最好要有图形方面的基础知识）而制作的，旨在通过对OpenGL 的整个知识结构的介绍，来具体剖析其内在运行机制，并且结合实际开发经验总结出在VC平台下的OpenGL开发框架，最后给出一个例程来说明这一框架的具体应用。
一、OpenGL基础知识
　　OpenGL是一种开放式的图形软件开发包，它采用C语言风格，提供大量的函数来进行图形方面的处理，一般编程使用的函数库包括：
　　OpenGL图形库-----函数以gl开头，可以实现比较简单的绘制功能，核心函数共115个。这些函数可以运行在现在任何主流操作系统中。
　　OpenGL实用库-----函数以glu开头，其函数功能更高级一些，如绘制复杂的曲线曲面、高级坐标变换、多边形分割等，共有43个。这些函数可以运行在现在任何主流操作系统中。
　　OpenGL辅助库-----函数以aux开头，它们是一些特殊的函数，包括简单的窗口管理、输入事件处理、某些复杂三维物体绘制等函数，共有31个。它只能在Win32平台下运行。
　　OpenGL实用工具开发库----函数以glut开头，它们提供更为复杂的绘制功能，此函数由glut.dll来负责解释执行。
　　Windows专用函数库-----以wgl开头，负责OpenGL与Windows窗口系统的连接，共有6个。
　　Win32函数------无专用前缀，实际上为API函数，共5个，用来处理比如象素格式的选择及双缓冲等功能。
　　OpenGL提供的函数一般是以客户机/服务器的模式来运行的，即执行绘制图形功能的应用程序作为客户机，而OpenGL函数库（实际上是一些动态链接库，比如opengl32.dll,glu.dll等）作为服务器，当应用程序发出绘制请求时，服务器负责对这些绘制请求进行解释，然后把这些处理过的请求发送给图形显示硬件，这样就实现了绘图的目的。另外由于它这种特有的运行机制也实现了网络的透明性，即当应用程序与核心图形库不在同一台机器上时，其程序的代码完全跟它们在同一台机器上的一样，节约了通讯开销。
　　那么在Windows操作平台下，如果使用OpenGL图形库函数来开发应用程序呢？我们知道，使用GDI（图形设备接口）开发应用程序时，首先需要获得一个Device Context（设备描述表，简称DC），然后才能在这个DC下完成绘图工作，这一过程就类似于现实生活中纸和笔的关系，DC就是纸，而象刷子、画笔这样的GDI对象就是笔。从Windows内部运行机制来分析，DC应该理解为状态保持器，就是它可以而且必须保存当前系统的状态，这些状态包括：当前的画笔、刷子等GDI的具体类型（颜色、粗细等），当前的调色板类型以及系统的其他信息。当用户开始在DC上进行绘制工作时，系统就会先查看DC中相应的当前状态值，然后利用这些状态值进行图形绘制，如果用户希望改变当前状态值，那么可以通过SelectObject这样的Win32函数来将指定的状态或者对象选入DC即可。
　　实际上基于OpenGL的应用程序也是这样的，只是这里不是直接在DC上进行绘制工作，而是通过Render Context（渲染描述表或者绘制描述表，简称为RC）这样一个桥梁在DC上进行绘制工作，对于程序来说实际上可以理解为就是在RC上绘制图形。另外只要RC不被释放（有效），那么就可以进行绘制工作；相比之下，DC却需要不断的创建和释放。
　　所以要使用OpenGL图形库进行图形应用开发，首先要获得RC，然后要将其设置为"当前RC"，最后后面所有的绘制工作都是在"当前RC"下面进行的，直到"当前RC"无效为止。

　　1、核心库，包含的函数有115个，它们是最基本的函数，其前缀是gl；这部分函数用于常规的、核心的图形处理，由gl.dll来负责解释执行。核心库中的函数可以进一步分为以下几类函数。

　　（1）绘制基本几何图元的函数。

       glBegain()、glEnd()、glNormal*()、glVertex*()。

　　（2）矩阵操作、几何变换和投影变换的函数。

　　矩阵入栈函数glPushMatrix()，矩阵出栈函数glPopMatrix()，装载矩阵函数glLoadMatrix()，矩阵相乘函数glMultMatrix()，当前矩阵函数  glMatrixMode()和矩阵标准化函数glLoadIdentity()，几何变换函数glTranslate*()、glRotate*()和glScale*()，投影变换函数glOrtho()、glFrustum()和视口变换函数glViewport()等等。

　　（3）颜色、光照和材质的函数。

　　如设置颜色模式函数glColor*()、glIndex*()，设置光照效果的函数glLight*() 、glLightModel*()和设置材质效果函数glMaterial()等等。

　　（4）显示列表函数。
　　主要有创建、结束、生成、删除和调用显示列表的函数glNewList()、 glEndList()、glGenLists()、glCallList()和glDeleteLists()等。

　　（5）纹理映射函数。

　　主要有一维纹理函数glTexImage1D()、二维纹理函数glTexImage2D()、 设置纹理参数、纹理环境和纹理坐标的函数glTexParameter*()、glTexEnv*()和glTetCoord*()等。

　　（6）特殊效果函数。

　　融合函数glBlendFunc()、反走样函数glHint()和雾化效果glFog*()。

　　（7）光栅化、象素操作函数。

　　像素位置glRasterPos*()、线型宽度glLineWidth()、多边形绘制模式glPolygonMode()，读取象素glReadPixel()、复制象素glCopyPixel()等。

　　（8）选择与反馈函数。

　　主要有渲染模式glRenderMode()、选择缓冲区glSelectBuffer()和反馈缓冲区glFeedbackBuffer()等。

　　（9）曲线与曲面的绘制函数。

　　生成曲线或曲面的函数glMap*()、glMapGrid*()，求值器的函数glEvalCoord*() glEvalMesh*()。

　　（10）状态设置与查询函数。主要有glGet*()、glEnable()、glGetError()等。

　　2、实用库（OpenGL utility library，GLU），包含的函数功能更高一些，如绘制复杂的曲线曲面、高级坐标变换、多边形分割等，共有43个，前缀为glu。Glu函数通过调用核心库的函数，为开发者提供相对简单的用法，实现一些较为复杂的操作。此类函数由glu.dll来负责解释执行。主要包括了以下几种：

　　（1）辅助纹理贴图函数。

　　有gluScaleImage() 、gluBuild1Dmipmaps()、gluBuild2Dmipmaps()等。

　　（2）坐标转换和投影变换函数。

　　定义投影方式函数gluPerspective()、gluOrtho2D() 、gluLookAt()，拾取投影视景体函数gluPickMatrix()，投影矩阵计算gluProject()和 gluUnProject()等。

　　（3）多边形镶嵌工具。

　　有gluNewTess()、 gluDeleteTess()、gluTessCallback()、gluBeginPolygon() gluTessVertex()、gluNextContour()、gluEndPolygon()等。

　　（4）二次曲面绘制工具。

　　主要有绘制球面、锥面、柱面、圆环面gluNewQuadric()、gluSphere()、gluCylinder()、gluDisk()、gluPartialDisk()、gluDeleteQuadric()等等。

　　（5）非均匀有理B样条绘制工具。

　　主要用来定义和绘制Nurbs曲线和曲面，包括gluNewNurbsRenderer()、gluNurbsCurve()、gluBeginSurface()、gluEndSurface()、gluBeginCurve()、gluNurbsProperty()等函数。

　　（6）错误反馈工具。

　　获取出错信息的字符串gluErrorString()等。

　　3、OpenGL辅助库（OpenGL auxiliarylibrary，GLAUX），包括简单的窗口管理、输入事件处理、某些复杂三维物体绘制等函数，共有31个，前缀为aux。此类函数由glaux.dll来负责解释执行。辅助库函数主要包括以下几类。

　　（1）窗口初始化和退出函数。

　　auxInitDisplayMode()和auxInitPosition()。

　　（2）窗口处理和时间输入函数。

　　auxReshapeFunc()、auxKeyFunc()和auxMouseFunc()。

　　（3）颜色索引装入函数。

　　auxSetOneColor()。

　　（4）三维物体绘制函数。

　　包括了两种形式网状体和实心体，如绘制立方体auxWireCube()和 auxSolidCube()。这里以网状体为例，长方体auxWireBox()、环形圆纹面auxWireTorus()、圆柱auxWireCylinder()、二十面体auxWireIcosahedron()、八面体auxWireOctahedron()、四面体auxWireTetrahedron()、十二面体auxWireDodecahedron()、圆锥体auxWireCone()和茶壶auxWireTeapot()。绘制实心体只要将上述函数中的确"Wire"更换成"Solid"就可以了。

　　（5）其他。

　　背景过程管理函数auxIdleFunc()；程序运行函数auxMainLoop()。

　　4、OpenGL工具库（OpenGL Utility Toolkit）

　　包含大约30多个函数，函数名前缀为glut，此函数由glut.dll来负责解释执行。这部分函数主要包括：

　　（1）窗口操作函数

　　窗口初始化、窗口大小、窗口位置等函数glutInit() glutInitDisplayMode()、glutInitWindowSize() glutInitWindowPosition()等。

　　（2）回调函数。

　　响应刷新消息、键盘消息、鼠标消息、定时器函数等，glutDisplayFunc()、glutPostRedisplay()、 glutReshapeFunc()、glutTimerFunc()、glutKeyboardFunc()、 glutMouseFunc()。

　　（3）创建复杂的三维物体。这些和aux库的函数功能相同。创建网状体和实心体。如glutSolidSphere()、glutWireSphere()等。

　　（4）菜单函数

　　创建添加菜单的函数glutCreateMenu()、glutSetMenu()、glutAddMenuEntry()、glutAddSubMenu() 和glutAttachMenu()。

　　（5）程序运行函数。

　　glutMainLoop()。

　　5、16个WGL函数，专门用于OpenGL和Windows窗口系统的联接，其前缀为wgl，主要用于创建和选择图形操作描述表（renderingcontexts）以及在窗口内任一位置显示字符位图。这类函数主要包括以下几类

　　（1）绘图上下文相关函数。

　　wglCreateContext()、wglDeleteContext()、wglGetCurrentContent()、wglGetCurrentDC() wglDeleteContent()等。

　　（2）文字和文本处理函数。

　　wglUseFontBitmaps()、wglUseFontOutlines()。

　　（3）覆盖层、地层和主平面层处理函数。

　　wglCopyContext()、wglCreateLayerPlane()、 wglDescribeLayerPlane()、wglReakizeLayerPlatte()等。

　　（4）其他函数。

　　wglShareLists()、wglGetProcAddress()等。

　　6、另外，还有五个Win32函数用来处理像素格式（pixel formats）和双缓存。由于它们是对Win32系统的扩展，因此不能应用在其它OpenGL平台上。

　　（二）OpenGL数据类型

　　与C语言相对应，OpenGL中也有整数、字节、浮点数等数据类型，为了说明两者的对应关系，下表将OpenGL的数据类型与相应的C类型进行了对比：

前缀 数据类型 相应C语言类型 OpenGL类型
b 8-bit integer signed char GLbyte
s 16-bit integer short GLshort
i 32-bit integer long GLint,GLsizei
f 32-bit floating-point float GLfloat,GLclampf
d 64-bit floating-point double GLdouble,GLclampd
ub 8-bit unsigned integer unsigned char GLubyte,GLboolean
us 16-bit unsigned integer unsigned short GLushort
ui 32-bit unsigned integer unsigned long GLuint,GLenum,GLbitfield
　　　　　　　　　　　　　　　　表一、OpenGL数据类型表

　　此外，OpenGL也定义GLvoid类型，如果用C语言编写，可以用它替代void类型。

　　（三）OpenGL库函数的命名规律

　　了解了OpenGL的数据类型，让我们再回过头来看看OpenGL库函数的命名规律。所有OpenGL函数采用了以下格式：

<库前缀><根命令><可选的参数个数><可选的参数类型>

　　库前缀有gl、glu、aux、glut、wgl、glx等等，分别表示该函数属于OpenGL某开发库等，从函数名后面中还可以看出需要多少个参数以及参数的类型。I代表int型，f代表float型，d代表double型，u代表无符号整型。注意，有的函数参数类型后缀前带有数字2、3、4。2代表二维，3代表三维，4代表alpha值（以后介绍）。有些OpenGL函数最后带一个字母v，表示函数参数可用一个指针指向一个向量（或数组）来替代一系列单个参数值。下面两种格式都表示设置当前颜色为红色，二者等价。

　　glColor3f(1.0,0.0,0.0);等价于：

　　float color_array[]={1.0,0.0,0.0};
　　glColor3fv(color_array);

　　除了以上基本命名方式外，还有一种带"*"星号的表示方法，例如glColor*()，它表示可以用函数的各种方式来设置当前颜色。同理，glVertex*v()表示用一个指针指向所有类型的向量来定义一系列顶点坐标值。