SCARA——OpenGL入门学习一、二

参考博客:http://www.cppblog.com/doing5552/archive/2009/01/08/71532.html

简介

最近开始一个机械手臂的安装调试,平面关节型机器人又称SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)型机器人,是一种应用于装配作业的机器人手臂。然后找资料学习一下OpenGL。

OpenGL(全写Open Graphics Library)是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像(二维的亦可),是一个功能强大,调用方便的底层图形库。

OpenGL帮助程序员实现在 PC、工作站超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。虽然DirectX在家用市场全面领先,但在专业高端绘图领域,OpenGL是不能被取代的主角。

由于OpenGL是图形的底层图形库,没有提供几何实体图元,不能直接用以描述场景。但是,通过一些转换程序,可以很方便地将AutoCAD[1] 、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组

OpenGL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,OpenGL被设计为只有输出的,所以它只提供渲染功能。

入门学习(一)

OpenGL作为当前主流的图形API之一,它在一些场合具有比DirectX更优越的特性。

1、与C语言紧密结合。

OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的,对于学习过C语言的人来讲,OpenGL是容易理解和学习的。如果你曾经接触过TC的graphics.h,你会发现,使用OpenGL作图甚至比TC更加简单。

2、强大的可移植性。

微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API,但它只用于Windows系统(现在还要加上一个XBOX游戏机)。而OpenGL不仅用于 Windows,还可以用于Unix/Linux等其它系统,它甚至在大型计算机、各种专业计算机(如:医疗用显示设备)上都有应用。并且,OpenGL 的基本命令都做到了硬件无关,甚至是平台无关。

3、高性能的图形渲染。

OpenGL是一个工业标准,它的技术紧跟时代,现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持,激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。

总之,OpenGL是一个很NB的图形软件接口。至于究竟有多NB,去看看DOOM3和QUAKE4等专业游戏就知道了。

OpenGL官方网站(英文)

http://www.opengl.org

下面将对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。

学习OpenGL前的准备工作

第一步,选择一个编译环境

现在Windows系统的主流编译环境有Visual Studio,Broland C++ Builder,Dev-C++等,它们都是支持OpenGL的。但这里我们选择Visual
Studio 2008作为学习OpenGL的环境。

第二步,安装GLUT工具包

GLUT不是OpenGL所必须的,但它会给我们的学习带来一定的方便,推荐安装。

Windows环境下的GLUT下载地址:(大小约为150k)

http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip

无法从以上地址下载的话请使用下面的连接:

http://upload.programfan.com/upfile/200607311626279.zip

Windows环境下安装GLUT的步骤:(或者参照博客:http://lesmatines.blog.163.com/blog/static/17396142013113111934550/

1、将下载的压缩包解开,将得到5个文件

2、在“我的电脑”中搜索“gl.h”,并找到其所在文件夹(如果是VisualStudio2008,则应该是其安装目录下面的“VC\include\gl文件夹”  C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\include\GL)。把解压得到的glut.h放到这个文件夹(若没,则自己创建gl文件夹)。

3、把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹(如果是VisualStudio2008,则应该是其安装目录下面的“VC\lib”文件夹)。

4、把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。(典型的位置为:C:\Windows\System32)64位操作系统的位置为(C:\Windows\SysWOW64)

对于vs2013 64位win7系统的配置如下:

Glut的相关文件可以到:http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip 去下载,下载完成后解压可以得到如图所示的五个文件,然后将glut.lib、glut32.lib文件放入VS目录下的VC\LIB文件夹下,将glut.h放入VC\INCLUDE目录下,或者在VC\INCLUDE目录下新建一个命名为GL(大小写均可)的文件夹,在引用的时候,前者为#include<glut.h>或者就变为#inlcude<GL/glut.h>;将glut.dll、glut32.dll放入SysWOW64文件夹下面就可以了。

第三步,建立一个OpenGL工程

这里以Visual Studio 2008为例。

选择File->New->Project,然后选择Win32 Console Application,选择一个名字,然后按OK。

在谈出的对话框左边点Application Settings,找到Empty project并勾上,选择Finish。

然后向该工程添加一个代码文件,取名为“OpenGL.c”,注意用.c来作为文件结尾。

搞定了,就跟平时的工程没什么两样的。

第一个OpenGL程序

一个简单的OpenGL程序如下:(注意,如果需要编译并运行,需要正确安装GLUT,安装方法如上所述)

#include <GL/glut.h>
void myDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glRectf(-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.5f);
glFlush();
}
int main(int argc, char *argv[])
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
glutInitWindowPosition(100, 100);
glutInitWindowSize(400, 400);
glutCreateWindow("第一个OpenGL程序");
glutDisplayFunc(&myDisplay);
glutMainLoop();
return 0;
}

该程序的作用是在一个黑色的窗口*画一个白色的矩形。下面对各行语句进行说明。

首先,需要包含头文件#include <GL/glut.h>,这是GLUT的头文件。

本来OpenGL程序一般还要包含<GL/gl.h>和<GL/glu.h>,但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了,不必再次包含。

然后看main函数。

int main(int argc, char *argv[]),这个是带命令行参数的main函数,各位应该见过吧?没见过的同志们请多翻翻书,等弄明白了再往下看。

注意main函数中的各语句,除了最后的return之外,其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数,下面对用到的几个函数进行介绍。

1、glutInit,对GLUT进行初始化,这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较死板,一般照抄这句glutInit(&argc, argv)就可以了。

2、 glutInitDisplayMode,设置显示方式,其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色,与之对应的还有GLUT_INDEX(表示使用索引颜色)。GLUT_SINGLE表示使用单缓冲,与之对应的还有GLUT_DOUBLE(使用双缓冲)。更多信息,请自己Google。当然以后的教程也会有一些讲解。

3、glutInitWindowPosition,这个简单,设置窗口在屏幕中的位置。

4、glutInitWindowSize,这个也简单,设置窗口的大小。

5、glutCreateWindow,根据前面设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意:窗口被创建后,并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口。

6、glutDisplayFunc,设置一个函数,当需要进行画图时,这个函数就会被调用。(这个说法不够准确,但准确的说法可能初学者不太好理解,暂时这样说吧)。

7、glutMainLoop,进行一个消息循环。(这个可能初学者也不太明白,现在只需要知道这个函数可以显示窗口,并且等待窗口关闭后才会返回,这就足够了。)

在glutDisplayFunc函数中,我们设置了“当需要画图时,请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay中的三个函数调用,发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数,下面对用到的函数进行介绍。

1、glClear,清除。GL_COLOR_BUFFER_BIT表示清除颜色,glClear函数还可以清除其它的东西,但这里不作介绍。

2、glRectf,画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标。

3、glFlush,保证前面的OpenGL命令立即执行(而不是让它们在缓冲区中等待)。其作用跟fflush(stdout)类似。

入门学习(二)

本次课程所要讲的是绘制简单的几何图形,在实际绘制之前,让我们先熟悉一些概念。

一、点、直线和多边形
我们知道数学(具体的说,是几何学)中有点、直线和多边形的概念,但这些概念在计算机中会有所不同。
数学上的点,只有位置,没有大小。但在计算机中,无论计算精度如何提高,始终不能表示一个无穷小的点。另一方面,无论图形输出设备(例如,显示器)如何精确,始终不能输出一个无穷小的点。一般情况下,OpenGL中的点将被画成单个的像素(像素的概念,请自己搜索之~),虽然它可能足够小,但并不会是无穷小。同一像素上,OpenGL可以绘制许多坐标只有稍微不同的点,但该像素的具体颜色将取决于OpenGL的实现。当然,过度的注意细节就是钻牛角尖,我们大可不必花费过多的精力去研究“多个点如何画到同一像素上”。
同样的,数学上的直线没有宽度,但OpenGL的直线则是有宽度的。同时,OpenGL的直线必须是有限长度,而不是像数学概念那样是无限的。可以认为,OpenGL的“直线”概念与数学上的“线段”接近,它可以由两个端点来确定。
多边形是由多条线段首尾相连而形成的闭合区域。OpenGL规定,一个多边形必须是一个“凸多边形”(其定义为:多边形内任意两点所确定的线段都在多边形内,由此也可以推导出,凸多边形不能是空心的)。多边形可以由其边的端点(这里可称为顶点)来确定。(注意:如果使用的多边形不是凸多边形,则最后输出的效果是未定义的——OpenGL为了效率,放宽了检查,这可能导致显示错误。要避免这个错误,尽量使用三角形,因为三角形都是凸多边形)

可以想象,通过点、直线和多边形,就可以组合成各种几何图形。甚至于,你可以把一段弧看成是很多短的直线段相连,这些直线段足够短,以至于其长度小于一个像素的宽度。这样一来弧和圆也可以表示出来了。通过位于不同平面的相连的小多边形,我们还可以组成一个“曲面”。

二、在OpenGL中指定顶点
由以上的讨论可以知道,“点”是一切的基础。
如何指定一个点呢?OpenGL提供了一系列函数。它们都以glVertex开头,后面跟一个数字和1~2个字母。例如:
glVertex2d
glVertex2f
glVertex3f
glVertex3fv
等等。
数字表示参数的个数,2表示有两个参数,3表示三个,4表示四个(我知道有点罗嗦~)。
字母表示参数的类型,s表示16位整数(OpenGL中将这个类型定义为GLshort),
                   i表示32位整数(OpenGL中将这个类型定义为GLint和GLsizei),
                   f表示32位浮点数(OpenGL中将这个类型定义为GLfloat和GLclampf),
                   d表示64位浮点数(OpenGL中将这个类型定义为GLdouble和GLclampd)。
                   v表示传递的几个参数将使用指针的方式,见下面的例子。
这些函数除了参数的类型和个数不同以外,功能是相同的。例如,以下五个代码段的功能是等效的:
(一)glVertex2i(1, 3);
(二)glVertex2f(1.0f, 3.0f);
(三)glVertex3f(1.0f, 3.0f, 0.0f);
(四)glVertex4f(1.0f, 3.0f, 0.0f, 1.0f);
(五)GLfloat VertexArr3[] = {1.0f, 3.0f, 0.0f};
      glVertex3fv(VertexArr3);
以后我们将用glVertex*来表示这一系列函数。
注意:OpenGL的很多函数都是采用这样的形式,一个相同的前缀再加上参数说明标记,这一点会随着学习的深入而有更多的体会。

三、开始绘制
假设现在我已经指定了若干顶点,那么OpenGL是如何知道我想拿这些顶点来干什么呢?是一个一个的画出来,还是连成线?或者构成一个多边形?或者做其它什么事情?
为了解决这一问题,OpenGL要求:指定顶点的命令必须包含在glBegin函数之后,glEnd函数之前(否则指定的顶点将被忽略)。并由glBegin来指明如何使用这些点。
例如我写:
glBegin(GL_POINTS);
     glVertex2f(0.0f, 0.0f);
     glVertex2f(0.5f, 0.0f);
glEnd();
则这两个点将分别被画出来。如果将GL_POINTS替换成GL_LINES,则两个点将被认为是直线的两个端点,OpenGL将会画出一条直线。
我们还可以指定更多的顶点,然后画出更复杂的图形。
另一方面,glBegin支持的方式除了GL_POINTS和GL_LINES,还有GL_LINE_STRIP,GL_LINE_LOOP,GL_TRIANGLES,GL_TRIANGLE_STRIP,GL_TRIANGLE_FAN等,每种方式的大致效果见下图:
SCARA——OpenGL入门学习一、二
声明:该图片来自www.opengl.org,该图片是《OpenGL编程指南》一书的附图,由于该书的旧版(第一版,1994年)已经流传于网络,我希望没有触及到版权问题。

我并不准备在glBegin的各种方式上大作文章。大家可以自己尝试改变glBegin的方式和顶点的位置,生成一些有趣的图案。

程序代码:

void myDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glBegin( /* 在这里填上你所希望的模式 */ );
/* 在这里使用glVertex*系列函数 */
/* 指定你所希望的顶点位置 */
glEnd();
glFlush();
}

把这段代码改成你喜欢的样子,然后用它替换第一课中的myDisplay函数,编译后即可运行。

两个例子
例一、画一个圆
/*
正四边形,正五边形,正六边形,……,直到正n边形,当n越大时,这个图形就越接近圆
当n大到一定程度后,人眼将无法把它跟真正的圆相区别
这时我们已经成功的画出了一个“圆”
(注:画圆的方法很多,这里使用的是比较简单,但效率较低的一种)
试修改下面的const int n的值,观察当n=3,4,5,8,10,15,20,30,50等不同数值时输出的变化情况
将GL_POLYGON改为GL_LINE_LOOP、GL_POINTS等其它方式,观察输出的变化情况

*/

#include <math.h>
const int n = 20;
const GLfloat R = 0.5f;
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay(void)
{
int i;
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glBegin(GL_POLYGON);
for(i=0; i<n; ++i)
glVertex2f(R*cos(2*Pi/n*i), R*sin(2*Pi/n*i));
glEnd();
glFlush();
}

例二、画一个五角星
/*
设五角星的五个顶点分布位置关系如下:
      A
E        B

D    C
首先,根据余弦定理列方程,计算五角星的中心到顶点的距离a
(假设五角星对应正五边形的边长为1.0)
a = 1 / (2-2*cos(72*Pi/180));
然后,根据正弦和余弦的定义,计算B的x坐标bx和y坐标by,以及C的y坐标
(假设五角星的中心在坐标原点)
bx = a * cos(18 * Pi/180);
by = a * sin(18 * Pi/180);
cy = -a * cos(18 * Pi/180);
五个点的坐标就可以通过以上四个量和一些常数简单的表示出来

*/

#include <math.h>
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay(void)
{
GLfloat a = 1 / (2-2*cos(72*Pi/180));
GLfloat bx = a * cos(18 * Pi/180);
GLfloat by = a * sin(18 * Pi/180);
GLfloat cy = -a * cos(18 * Pi/180);
GLfloat
PointA[2] = { 0, a },
PointB[2] = { bx, by },
PointC[2] = { 0.5, cy },
PointD[2] = { -0.5, cy },
PointE[2] = { -bx, by }; glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
// 按照A->C->E->B->D->A的顺序,可以一笔将五角星画出
glBegin(GL_LINE_LOOP);
glVertex2fv(PointA);
glVertex2fv(PointC);
glVertex2fv(PointE);
glVertex2fv(PointB);
glVertex2fv(PointD);
glEnd();
glFlush();
}

例三、画出正弦函数的图形
/*
由于OpenGL默认坐标值只能从-1到1,(可以修改,但方法留到以后讲)
所以我们设置一个因子factor,把所有的坐标值等比例缩小,
这样就可以画出更多个正弦周期
试修改factor的值,观察变化情况
*/

#include <math.h>
const GLfloat factor = 0.1f;
void myDisplay(void)
{
GLfloat x;
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glBegin(GL_LINES);
glVertex2f(-1.0f, 0.0f);
glVertex2f(1.0f, 0.0f); // 以上两个点可以画x轴
glVertex2f(0.0f, -1.0f);
glVertex2f(0.0f, 1.0f); // 以上两个点可以画y轴
glEnd();
glBegin(GL_LINE_STRIP);
for(x=-1.0f/factor; x<1.0f/factor; x+=0.01f)
{
glVertex2f(x*factor, sin(x)*factor);
}
glEnd();
glFlush();
}

小结
本课讲述了点、直线和多边形的概念,以及如何使用OpenGL来描述点,并使用点来描述几何图形。
大家可以发挥自己的想象,画出各种几何图形,当然,也可以用GL_LINE_STRIP把很多位置相近的点连接起来,构成函数图象。如果有兴趣,也可以去找一些图象比较美观的函数,自己动手,用OpenGL把它画出来。

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