OpenGL下的情境層次化渲染

 目前使用VC6.0+OpenGL圖形庫已經逐漸成為開發3D應用程式的主流，但是在使用OpenGL圖形庫中會涉及到很多2D或者3D座標，正確理解這 些座標的含義是使用OpenGL開發應用程式的前提，另外對於一個複雜的3D情境如果使用程式的手段來進行有效渲染也是至關重要的。本文主要探討這兩個 方面的問題。
　　1． 相關基礎知識

　 　要渲染真實世界的3D物體，首先必須瞭解OpenGL裡面的座標系統。OpenGL是使用頂點（Vertex）來描述幾何物體的，最開始幾何物體處於世 界座標之下，然後所有的頂點都通過模型視圖變換、投影變換以及視口變換來轉換為螢幕座標。通過這種流水線似的作業，3D情境就可以在螢幕上展現出來了。
全局座標系統遵循右手定則，即X軸是從左至右，Y軸由下至上，Z軸是垂直於螢幕由裡到外。這樣在OpenGL裡面使用的座標值都是在這樣的一個座標系統之下定位的，然後通過一系列的變換轉換為人眼座標，進而最後轉換為螢幕座標（2D座標）。

　　2． 情境的層次化渲染

　　對於一個複雜的情境，如果才能有效進行渲染呢？這裡就藉助一個樣本來進行說明。
例子是這樣的，需要在一個SDI視窗下繪製如下的一個2D的貨車（實際上在進行情境層次化渲染這方面，2D渲染的思路與3D渲染思路是一樣的）

　 　實現的思路首先應該是對這個貨車分解幾個獨立的子實體：貨車主體（前面那個大矩形）、貨車主體車輪、拖車主體（後面的矩形）、拖車主體車輪。那麼整個貨 車在運動的時候應該是以主貨車為運動的主體，其他的子實體都對主貨車做相對運動，這就好比是爸爸牽著兒子走路一樣，整體上爸爸和兒子是一起往前走的，但是 就局部來說，兒子可以繞爸爸做四周環繞運動。所以在利用OpenGL渲染比較複雜的3D物體時，首先要分清楚此3D物體的自由度的個數，然後分離出一個主 體部分，其他部分只是對這個主體部分做相對運動即可。這樣的思路在渲染複雜的機器人的時候也應用到了。

那麼在OpenGL裡面如果實現各個實體之間的相對運動呢？事實上OpenGL裡面提供了這樣的一對函數：glPushMatrix()和glPopMatrix()。其功能是前者把當前所有的矩陣棧都壓入堆棧，後者剛好相反。先看下面的例子：

//對整個貨車做運動變換A 變換A glPushMatrix()； //繪製貨車主體 glPopMatrix()； glPushMatrix()； //繪製拖車主體 glPopMatrix()；

　 　上面代碼看出來，在第一對glPushMatrix()和glPopMatrix()之間繪製的貨車主體不會影響到第二對glPushMatrix() 和glPopMatrix()裡面繪製的拖車主體，也就是說，平行的兩對glPushMatrix()和glPopMatrix()互相不影響。但是變換 A卻可以影響貨車主體和拖車主體，因為它們是上下級的關係，而不是平行的關係。

　　所以從上面的分析中可以看出，可以利用glPushMatrix()和glPopMatrix()來實現主體和子體之間的相對運動，而且子體之間的繪製也不會相互影響，基於這樣的思想，可以編製如下代碼：（這裡只列出主體代碼DrawLorry和DrawWheel）

//m_rot 和m_trans分別表示輪胎的旋轉量和整個貨車在X軸上的平移量，已經在有關//函數裡面進行了初始化 void CTerraintestView::DrawLorry() {//控制貨車的運動 //這裡施加的幾何變換將影響到所有的下面繪製的物體 glTranslatef(m_trans,0,0); glColor3f(1.0,0.5,0); //繪製貨車 glBegin(GL_POLYGON ); glVertex2f(-0.3f,0.2f); glVertex2f(-0.3f,-0.2f); glVertex2f(0.3f,-0.2f); glVertex2f(0.3f,0.2f); glEnd(); //繪製拉繩 glBegin(GL_LINES ); glVertex2f(-0.3,0); glVertex2f(-0.6,0); glEnd(); //繪製貨車輪胎 glPushMatrix(); glTranslatef(0,-0.3f,0); glTranslatef(-0.2,0,0); glPushMatrix(); glRotatef(m_rot,0,0,1); DrawWheel(0.1); glPopMatrix(); glTranslatef(0.4,0,0); glRotatef(m_rot,0,0,1); DrawWheel(0.1); glPopMatrix(); glPushMatrix(); //總比貨車滯後0.3 glTranslatef(-0.6,0,0); //繪製後面的拖車 glBegin(GL_POLYGON); glVertex2f(-0.2f,0.2f); glVertex2f(-0.2f,-0.2f); glVertex2f(0.2f,-0.2f); glVertex2f(0.2f,0.2f); glEnd(); // 繪製拖車的輪胎 glPushMatrix(); glTranslatef(0,-0.3f,0); glTranslatef(-0.1,0,0); DrawWheel(0.1); glTranslatef(0.2,0,0); DrawWheel(0.1); glPopMatrix(); glPopMatrix(); } void CTerraintestView::DrawWheel(float radius) {//繪製輪胎 float step=0.05; float i; float x,y; glBegin(GL_LINE_STRIP ); glVertex2f(radius,0); for (i=step;i<360.0;i+=step) { //計算兩個座標 x=radius*cos(i*3.1415926/180.0); y=radius*sin(i*3.1415926/180.0); glVertex2f(x,y); } glEnd(); }

　　3.小結：

　 　前面的分析看出，無論是對複雜的情境還是對多DOFs(自由度的簡稱)的物體來說，使用分解的方式將複雜物體分解為相對獨立的子實體（對於更加複雜的場 景需要建立情境的層次樹），並結合glPushMatrix()和glPopMatrix()來實現對各個子實體的繪製，進而實現整個3D物體的繪製工 作。這種思路對於大型的複雜情境的繪製尤為有用。