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通过一个初步的太阳系程序来理解OpenGL中相关的函数

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完成一个初步的太阳系程序：三个球体，分别为太阳、地球和月亮。实现地球不停绕太阳旋转，月亮绕地球旋转。

扩展功能：实现两个月亮绕地球旋转，使轨道倾斜。

思路

  1. 如何实现自转和公转

    在模型变换中使用glTranslatef(),glRotaef()来操作，使用画球体函数gluWireSphere()来绘制。

    如果先旋转在绘制，则是表现为自转；而先绘制在旋转，再移动一定距离，则表现为公转。

  2. 变换的操作实际是对矩阵的操作

    由于在实现坐标的变换是通过操作矩阵来实现的，即当前矩阵乘上对应操作的矩阵。当操作完一个变换函数后，矩阵也随之被改变。OpenGL中有glPushMatrix(),glPopMatrix()两个函数，当变换后使用glPushMatrix()来把变换后的位置和角度保存起来，当再做第二次变换时，使用glPopMatrix()来把刚刚保存好的位置和角度等恢复。

  3. 实现球体不停运动

    通过使用一个定时器函数gluTimerFunc()，在单位时间内触发事件，调用glutPostRedisplay()来进行重绘。

    还可以使用glutIdleFunc()函数，当循环队列处于空闲时则触发该事件。

下面来一些重要函数作出详细的说明。

一些重要函数的说明

glutWireSphere()

功能

用于渲染出球体（由经纬线构成）。球体球心位于原点，即是在窗口客户区的中心。

函数原型

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void glutWireSphere(GLdouble radius, GLint slices, GLint stacks);

参数

  • radius球的半径

  • slices：以Z轴上线段为直径分布的圆周线的条数（将Z轴看成地球的地轴，类似于经线）

  • stacks：围绕在Z轴周围的线的条数（类似于地球上纬线）

类似的函数为：glutSolidSphere

glRotatef()

功能

以点(0,0,0)到点(x,y,z)为轴，旋转angle角度。

函数原型

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void glRotatef(GLfloat angle, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z)

参数

  • angle：为旋转的角度，单位为度。
  • x,y,z：为对应xyz轴的布尔值变量。0.0表示假，而非零参数则表示真。

做(0,0,0)到(x,y,z)的向量，用右手握住这条向量，大拇指指向向量的正方向，四指环绕的方向就是旋转的方向

如果设置的旋转值（x,y,z的值）为正数，那么旋转的方向是逆时针的，如果旋转值是负数，那么旋转的方向是顺时针的。

glTranslatef()

功能

将你绘点坐标的原点在当前原点的基础上平移一个(x,y,z)向量。

函数原型

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void glTranslatef(GLfloat x,GLfloat y,GLfloat z);

glPushMatrix() && glPopMatrix()

glPushMatrix()，glPopMatrix()这两个函数是搭配使用的，中间放置几何变换。glPushMatrix的作用是把矩阵压入栈中保存起来，留着以后再用。消除了上一次变换对这一次的影响，使本次变换基于世界坐标系的原点为参考点。

gluTimerFunc()

功能

定时器函数，为时球体能不停运动。

函数原型

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glutTimerFunc(unsigned int millis, void (*func)(int value), int value);

参数

glutTimerFunc(毫秒数, 回调函数指针, 区别值);

用法

  • 写自己的回调函数 void OnTimer(int value)，用value来区分是哪个定时器
  • 在函数里添加和位置有关的变量，然后调用glutPostRedisplay()来重绘
  • 最后再次调用glutTimerFunc，因为glut的定时器是调用一次才产生一次定时，所以如果要持续产生定时的话，需要在内部再次调用该方法。

实现两个月亮的绘制

红宝书中有对绘制多个行星的解析

如果打算绘制几颗卫星绕着同一行星旋转，需要在移动每颗卫星的位置之前保存坐标系统，并且在绘制每颗卫星之后恢复坐标系统。

所以要对两个月亮的变换都增加glPushMatrix() 和 glPopMatrix()来实现矩阵的保存和恢复。

注意的地方是改变移动的距离方向，不然就和之前绘制的月亮重合了。

代码如下：

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//the Moon1
	glPushMatrix();
	glRotatef(G_fAngle_moon, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
	glTranslatef(0.0, 0.0, -G_fEarthToMoon);   //G_fEarthToMoon为月球绕地球旋转的轨道半径
	glColor3f(0.8f, 0.8f, 0.0f);
	glutSolidSphere(0.1, 20, 16);
	glPopMatrix();

	//the Moon2
	glPushMatrix();
	glRotatef(G_fAngle_moon, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
	glTranslatef(0.0, 0.0, G_fEarthToMoon);
	glColor3f(0.0f, 0.8f, 0.0f);
	glutSolidSphere(0.1, 20, 16);
	glPopMatrix();

实现轨道倾斜

实现轨道倾斜就是把行星的轴倾斜。在球体的变化操作完之后，再调用glRotatef()函数让轨道倾斜即可。

举例对月球的轨道倾斜：

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glPushMatrix();
glRotatef(-30, 0.0f, 0.0f, 1.0f);	//月球轨道倾斜-30度
glRotatef(G_fAngle_moon, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
glTranslatef(0.0, 0.0, -G_fEarthToMoon);
glColor3f(0.8f, 0.8f, 0.0f);
glutSolidSphere(0.1, 20, 16);
glPopMatrix();

程序完整代码

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#include <windows.h>
#include <GL/freeglut.h>

//定义输出窗口的大小
#define WINDOW_HEIGHT 300
#define WINDOW_WIDTH 500

//摄像机离物体的距离
float G_fDistance = 6.0f;
float G_fAngle_horizon = 0.0f;
float G_fAngle_vertical = 0.0f;

float G_fSunToEarth = 3.0f;
float G_fEarthToMoon = 0.5f;

//物体的旋转角度 
float G_fAngle_earth = 90.0f;
float G_fAngle_moon = 90.0f;

GLboolean G_bPause = false;

float G_vLit1Position[4] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };

void myinit(void);
void myReshape(GLsizei w, GLsizei h);
void display(void);

//响应键盘输入, 从而设定物体移近移远以及旋转的回调函数
void processSpecialKeys(int key, int x, int y);
void processNormalKeys(unsigned char key, int x, int y);

void planetMove(int value);

//主函数
int main(int argc, char* argv[])
{
	glutInit(&argc, argv);

	//初始化OPENGL显示方式
	glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA);

	//设定OPENGL窗口位置和大小
	glutInitWindowSize(1000, 500);
	glutInitWindowPosition(100, 100);

	//打开窗口
	glutCreateWindow("作业2");

	//调用初始化函数
	myinit();

	//设定窗口大小变化的回调函数
	glutReshapeFunc(myReshape);

	//设定键盘控制的回调函数
	glutSpecialFunc(processSpecialKeys);
	glutKeyboardFunc(processNormalKeys);
	glutTimerFunc(10, planetMove, 1);


	//开始OPENGL的循环
	glutDisplayFunc(display);
	// glutIdleFunc(planetMove);

	glutMainLoop();

	return 0;
}

//用户初始化函数
void myinit(void)
{
	//your initialization code
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
	glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);

	glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
	glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE);
}

//窗口大小变化时的回调函数
void myReshape(GLsizei w, GLsizei h)
{
	//设定视区
	glViewport(0, 0, w, h);

	//设定透视方式
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	gluPerspective(60.0, 1.0 * (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1.0, 30.0);
}

//每桢OpenGL都会调用这个函数，用户应该把显示代码放在这个函数中
void display(void)
{
	//设置清除屏幕的颜色，并清除屏幕和深度缓冲
	glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
	glClearDepth(1.0f);
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

	//绘图
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glLoadIdentity();  //使栈顶矩阵为单位矩阵
	glTranslatef(0.0, 0.0, -G_fDistance);
	glRotatef(G_fAngle_horizon, 0.0, 1.0, 0.0);
	glRotatef(G_fAngle_vertical, 1.0, 0.0, 0.0);

	//the Sun
	glColor3f(0.8f, 0.2f, 0.0f);
	glutSolidSphere(0.6, 20, 16);

	//the Earth
	glRotatef(-10, 0.0f, 0.0f, 1.0f);	//地球轨道倾斜-10度
	glRotatef(G_fAngle_earth, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
	glTranslatef(0.0, 0.0, -G_fSunToEarth);
	glColor3f(0.0f, 0.2f, 0.8f);
	glutSolidSphere(0.3, 20, 16);

	//the Moon1
	glPushMatrix();
	glRotatef(-30, 0.0f, 0.0f, 1.0f);	//月球轨道倾斜-30度
	glRotatef(G_fAngle_moon, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
	glTranslatef(0.0, 0.0, -G_fEarthToMoon);
	glColor3f(0.8f, 0.8f, 0.0f);
	glutSolidSphere(0.1, 20, 16);
	glPopMatrix();

	//the Moon2
	glPushMatrix();
	glRotatef(G_fAngle_moon, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
	glTranslatef(0.0, 0.0, G_fEarthToMoon);
	glColor3f(0.0f, 0.8f, 0.0f);
	glutSolidSphere(0.1, 20, 16);
	glPopMatrix();

	//交换前后缓冲区
	glutSwapBuffers();
}


void processSpecialKeys(int key, int x, int y)
{
	switch (key) {
	case GLUT_KEY_LEFT:
		G_fAngle_horizon -= 5.0f;
		break;
	case GLUT_KEY_RIGHT:
		G_fAngle_horizon += 5.0f;
		break;
	case GLUT_KEY_UP:
		G_fAngle_vertical -= 5.0f;
		break;
	case GLUT_KEY_DOWN:
		G_fAngle_vertical += 5.0f;
		break;
	}
	glutPostRedisplay();
}

void processNormalKeys(unsigned char key, int x, int y)
{
	switch (key) {
	case 97:	//"a"
		G_fDistance -= 0.3f;
		break;
	case 65:		//"A"
		G_fDistance += 0.3f;
		break;
	case 32:	//space
		G_bPause = !G_bPause;
		break;
	case 27:	//"esc"
		exit(0);
	}
	glutPostRedisplay();
}

void planetMove(int value)
{
	if (!G_bPause)
	{
		G_fAngle_earth += 0.2f;
		G_fAngle_moon += 1.5f;

		glutPostRedisplay();
	}
	glutTimerFunc(10, planetMove, 1);
}

运行效果

参考

OpenGL的glRotatef旋转变换函数详解

OpenGL编程指南4：双缓冲实现运行

OpenGL学习笔记(6)第一个动画

OpenGL太阳星系的实现openglcDoBetterCSDN博客