原 文:Lesson 9: Moving Bitmaps In 3D Space
作 者:CKER
歡迎進入第九課。到現在為止,您應該很好的理解OpenGL了。您已經學會了設定一個OpenGL視窗的每個細節。學會在旋轉的物體上貼圖並打上光線以及混色(透明)處理。這一課應該算是第一課中級教程。您將學到如下的知識:在3D情境中移動位元影像,並去除位元影像上的黑色象素(使用混色)。接著為黑白紋理上色,最後您將學會建立豐富的色彩,並把上過不同色彩的紋理相互混合,得到簡單的動畫效果。我們在第一課的代碼基礎上進行修改。先在程式源碼的開始處增加幾個變數。出於清晰起見,我重寫了整段代碼。
#include <windows.h> // Windows的標頭檔
#include <stdio.h> // 標準輸入/輸出庫的標頭檔
#include <gl/gl.h> // OpenGL32庫的標頭檔
#include <gl/glu.h> // GLu32庫的標頭檔
#include <gl/glaux.h> // GLaux庫的標頭檔
HGLRC hRC=NULL; // 永久著色描述表
HDC hDC=NULL; // 私人GDI裝置描述表
HWND hWnd=NULL; // 儲存我們的視窗控制代碼
HINSTANCE hInstance; // 儲存程式的執行個體
bool keys[256]; // 用於鍵盤常式的數組
bool active=TRUE; // 視窗的活動標誌,預設為TRUE
bool fullscreen=TRUE; // 全屏標誌預設設定成全螢幕模式
下列這幾行新加的。twinkle和tp是布爾變數,表示它們只能設為TRUE或FALSE。twinkle用來跟蹤“閃爍”效果是否啟用。tp用來檢查‘T’鍵有沒有被按下或鬆開。(按下時tp=TRUE,鬆開時tp=FALSE)
BOOL twinkle; // 閃爍的星星
BOOL tp; // 'T' 按下了麼?
num跟蹤螢幕上所繪製的星星數。這個數字被定義為一個常量。這意味著無法在以後的代碼中對其進行修改。這麼做的原因是因為您無法重新定義一個數組。因此,如果我們定義一個50顆星星的數組,然後又將num增加到51的話,就會出錯(CKER:數組越界)。不過您還是可以(也只可以)在這一行上隨意修改這個數字。但是以後請您別再改動num的值了,除非您想看見災難發生。
const num=50; // 繪製的星星數
現在我們來建立一個結構。結構這詞聽起來有點可怕,但實際上並非如此。一個結構使用一組簡單類型的資料 (以及變數等)來表達較大的具有相似性的資料群組合。我們知道我們在保持對星星的跟蹤。您可以看到下面的第七行就是stars;並且每個星星有三個整型的色彩值。第三行int r,g,b設定了三個整數。一個紅色(r)、一個綠色(g)、以及一個藍色(b)。此外,每個星星離螢幕中心的距離不同,而且可以是以螢幕中心為原點的任意360度中的一個角度。如果你看下面第四行的話,會發現我們使用了一個叫做dist的浮點數來保持對距離的跟蹤。第五行則用一個叫做angle的浮點數保持對星星角度值的跟蹤。
因此我們使用了一組資料來描述螢幕上星星的色彩,距離,及角度。不幸的是我們不止對一個星星進行跟蹤。但是無需建立50個紅色值、50個綠色值、50個藍色值、50個距離值,以及50個角度值,而只需建立一個數組star。star數組的每個元素都是stars類型的,裡面存放了描述星星的所有資料。star數組在下面的第八行建立。 第八行的樣子是這樣的:stars star[num]。數群組類型是stars結構。所數組能存放所有stars結構的資訊。數組名字是star。數組大小是[num]。數組中存放著stars結構的元素。跟蹤結構元素會比跟蹤各自分開的變數容易的多。不過這樣也很笨,因為我們竟然不能改變常量num來增減星星數量。
typedef struct // 為星星建立一個結構
{
int r, g, b; // 星星的顏色
GLfloat dist; // 星星距離中心的距離
GLfloat angle; // 當前星星所處的角度
}
stars; // 結構命名為stars
stars star[num]; // 使用 'stars' 結構產生一個
// 包含'num'個元素的 'star'數組
接下來我們設定幾個跟蹤變數:星星離觀察者的距離變數(zoom),我們所見到的星星所處的角度(tilt),以及使閃爍的星星繞Z軸自轉的變數spin。
loop變數用來繪製50顆星星。texture[1]用來存放一個黑白紋理。如果您需要更多的紋理的話,您應該增加texture數組的大小至您決定採用的紋理個數。
GLfloat zoom=-15.0f; // 星星離觀察者的距離
GLfloat tilt=90.0f; // 星星的傾角
GLfloat spin; // 閃爍星星的自轉
GLuint loop; // 全域 Loop 變數
GLuint texture[1]; // 存放一個紋理
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM); // WndProc的聲明
緊接著上面的代碼就是我們用來載入紋理的代碼。我不打算再詳細的解釋這段代碼。這跟我們在第六、七、八課中所用的代碼是一模一樣的。這次載入的位元影像叫做“star.bmp”。這裡我們使用glGenTextures(1,&texture[0]),來產生一個紋理。紋理採用線性濾波方式。
AUX_RGBImageRec *LoadBMP(char *Filename) // 載入位元影像
{
FILE *File=NULL; // 檔案控制代碼
if (!Filename) // 確認檔案名稱已初始化
{
return NULL; // 沒有返回 NULL
}
File=fopen(Filename,"r"); // 檢查檔案是否存在
if (File) // 檔案存在麼?
{
fclose(File); // 關閉檔案控制代碼
return auxDIBImageLoad(Filename); // 載入位元影像並返回一個指標
}
return NULL; // 載入失敗返回 NULL
}
下面的代碼(調用上面的代碼)載入位元影像,並轉換成紋理。變數用來跟蹤紋理是否已載入並建立好了。
int LoadGLTextures() // 載入位元影像並轉換成紋理
{
int Status=FALSE; // Status 狀態指示器
AUX_RGBImageRec *TextureImage[1]; // 為紋理分配儲存空間
memset(TextureImage,0,sizeof(void *)*1); // 將指標設為 NULL
// 載入位元影像,查錯,如果未找到位元影像檔案則退出
if (TextureImage[0]=LoadBMP("Data/Star.bmp"))
{
Status=TRUE; // 將 Status 設為TRUE
glGenTextures(1, &texture[0]); // 建立一個紋理
// 建立一個線性濾波紋理
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D,
0,
3,
TextureImage[0]->sizeX,
TextureImage[0]->sizeY,
0,
GL_RGB,
GL_UNSIGNED_BYTE,
TextureImage[0]->data);
}
if (TextureImage[0]) // 如果紋理存在
{
if (TextureImage[0]->data) // 如果紋理映像存在
{
free(TextureImage[0]->data); // 釋放紋理映像所佔的記憶體
}
free(TextureImage[0]); // 釋放映像結構
}
return Status; // 返回 Status的值
}
現在設定OpenGL的渲染方式。這裡不打算使用深度測試,如果您使用第一課的代碼的話,請確認是否已經去掉了glDepthFunc(GL_LEQUAL);和glEnable(GL_DEPTH_TEST);兩行。否則,您所見到的效果將會一團糟。這裡我們使用了紋理映射,因此請您確認您已經加上了這些第一課中所沒有的代碼。您會注意到我們通過混色來啟用了紋理映射。
int InitGL(GLvoid) // 此處開始對OpenGL進行所有設定
{
if (!LoadGLTextures()) // 調用紋理載入子常式
{
return FALSE; // 如果未能載入,返回FALSE
}
glEnable(GL_TEXTURE_2D); // 啟用紋理映射
glShadeModel(GL_SMOOTH); // 啟用陰影平滑
glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f); // 黑色背景
glClearDepth(1.0f); // 設定深度緩衝
glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST); // 真正精細的透視修正
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE); // 設定混色函數取得半透明效果
glEnable(GL_BLEND); // 啟用混色
以下是新增的代碼。設定了每顆星星的起始角度、距離、和顏色。您會注意到修改結構的屬性有多容易。全部50顆星星都會被迴圈設定。要改變star[1]的角度我們所要做的只是star[1].angle={某個數值};就這麼簡單。
for (loop=0; loop<num; loop++) // 建立迴圈設定全部星星
{
star[loop].angle=0.0f; // 所有星星都從零角度開始
第loop顆星星離中心的距離是將loop的值除以星星的總顆數,然後乘上5.0f。基本上這樣使得後一顆星星比前一顆星星離中心更遠一點。這樣當loop為50時(最後一顆星星),loop 除以 num正好是1.0f。之所以要乘以5.0f是因為1.0f*5.0f 就是 5.0f。5.0f已經很接近螢幕邊緣。我不想星星飛出螢幕,5.0f是最好的選擇了。當然如果如果您將情境設定的更深入螢幕裡面的話,也許可以使用大於5.0f的數值,但星星看起來就更小一些(都是透視的緣故)。
您還會注意到每顆星星的顏色都是從0~255之間的一個隨機數。也許您會奇怪為何這裡的顏色得取值範圍不是OpenGL通常的0.0f~1.0f之間。這裡我們使用的顏色設定函數是glColor4ub,而不是以前的glColor4f。ub意味著參數是Unsigned Byte型的。一個byte的取值範圍是0~255。這裡使用byte值取隨機整數似乎要比取一個浮點的隨機數更容易一些。
star[loop].dist=(float(loop)/num)*5.0f; // 計算星星離中心的距離
star[loop].r=rand()%256; // 為star[loop]設定隨機紅色分量
star[loop].g=rand()%256; // 為star[loop]設定隨機紅色分量
star[loop].b=rand()%256; // 為star[loop]設定隨機紅色分量
}
return TRUE; // 初始化一切OK
}
Resize的代碼也是一樣的,現在我們轉入繪圖代碼。如果您使用第一課的代碼,刪除舊的DrawGLScene代碼,只需將下面的代碼複製過去就行了。實際上,第一課的代碼只有兩行,所以沒太多東西要刪掉的。
int DrawGLScene(GLvoid) // 此過程中包括所有的繪製代碼
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // 清除螢幕及深度緩衝
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]); // 選擇紋理
for (loop=0; loop<num; loop++) // 迴圈設定所有的星星
{
glLoadIdentity(); // 繪製每顆星之前,重設模型觀察矩陣
glTranslatef(0.0f,0.0f,zoom); // 深入螢幕裡面(使用 'zoom'的值)
glRotatef(tilt,1.0f,0.0f,0.0f); // 傾斜視角(使用'tilt'的值)
現在我們來移動星星。星星開始時位於螢幕的中心。我們要做的第一件事是把情境沿Y軸旋轉。如果我們旋轉90度的話,X軸不再是自左至右的了,他將由裡向外穿出螢幕。為了讓大家更清楚些,舉個例子。假想您站在房子中間。再設想您左側的牆上寫著-x,前面的牆上寫著-z,右面牆上就是+x咯,您身後的牆上則是+z。加入整個房子向右轉90度,但您沒有動,那麼前面的牆上將是-x而不再是-z了。所有其他的牆也都跟著移動。-z出現在右側,+z出現在左側,+x出現在您背後。神經錯亂了吧?通過旋轉情境,我們改變了x和z平面的方向。
第二行代碼沿x軸移動一個正值。通常x軸上的正值代表移向了螢幕的右側(也就是通常的x軸的正向),但這裡由於我們繞y軸旋轉了座標系,x軸的正向可以是任意方向。如果我們轉180度的話,螢幕的左右側就鏡像反向了。因此,當我們沿 x軸正向移動時,可能向左,向右,向前或向後。
glRotatef(star[loop].angle,0.0f,1.0f,0.0f); // 旋轉至當前所畫星星的角度
glTranslatef(star[loop].dist,0.0f,0.0f); // 沿X軸正向移動
接著的代碼帶點小技巧。星星實際上是一個平面的紋理。現在您在螢幕中心畫了個平面的四邊形然後貼上紋理,這看起來很不錯。一切都如您所想的那樣。但是當您當您沿著y軸轉上個90度的話,紋理在螢幕上就只剩右側和左側的兩條邊朝著您。看起來就是一條細線。這不是我們所想要的。我們希望星星永遠正面朝著我們,而不管螢幕如何旋轉或傾斜。
我們通過在繪製星星之前,抵消對星星所作的任何旋轉來實現這個願望。您可以採用逆序來抵消旋轉。當我們傾斜螢幕時,我們實際上以當前角度旋轉了星星。通過逆序,我們又以當前角度“反旋轉”星星。也就是以當前角度的負值來旋轉星星。就是說,如果我們將星星旋轉了10度的話,又將其旋轉-10度來使星星在那個軸上重新面對螢幕。下面的第一行抵消了沿y軸的旋轉。然後,我們還需要抵消掉沿x軸的螢幕傾斜。要做到這一點,我們只需要將螢幕再旋轉-tilt傾角。在抵消掉x和y軸的旋轉後,星星又完全面對著我們了。
glRotatef(-star[loop].angle,0.0f,1.0f,0.0f); // 取消當前星星的角度
glRotatef(-tilt,1.0f,0.0f,0.0f); // 取消螢幕傾斜
如果 twinkle 為 TRUE,我們在螢幕上先畫一次不旋轉的星星:將星星總數(num)減去當前的星星數(loop)再減去1,來提取每顆星星的不同顏色(這麼做是因為迴圈範圍從0到num-1)。舉例來說,結果為10的時候,我們就使用10號星星的顏色。這樣相鄰星星的顏色總是不同的。這不是個好法子,但很有效。最後一個值是alpha通道分量。這個值越小,這顆星星就越暗。
由於啟用了twinkle,每顆星星最後會被繪製兩遍。程式運行起來會慢一些,這要看您的機器效能如何了。但兩遍繪製的星星顏色相互融合,會產生很棒的效果。同時由於第一遍的星星沒有旋轉,啟用twinkle後的星星看起來有一種動畫效果。(假如您這裡看不懂得話,就自己去看程式的運行效果吧。)值得注意的是給紋理上色是件很容易的事。儘管紋理本身是黑白的,紋理將變成我們在繪製它之前選定的任意顏色。此外,同樣值得注意的是我們在這裡使用的顏色值是byte型的,而不是通常的浮點數。甚至alpha通道分量也是如此。
if (twinkle) // 啟用閃爍效果
{
// 使用byte型數值指定一個顏色
glColor4ub(star[(num-loop)-1].r,
star[(num-loop)-1].g,
star[(num-loop)-1].b,255);
glBegin(GL_QUADS); // 開始繪製紋理映射過的四邊形
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f);glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f);glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f);
glEnd(); // 四邊形繪製結束
}
現在繪製第二遍的星星。唯一和前面的代碼不同的是這一遍的星星肯定會被繪製,並且這次的星星繞著z軸旋轉。
glRotatef(spin,0.0f,0.0f,1.0f); // 繞z軸旋轉星星
// 使用byte型數值指定一個顏色
glColor4ub(star[loop].r,star[loop].g,star[loop].b,255);
glBegin(GL_QUADS); // 開始繪製紋理映射過的四邊形
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 1.0f,-1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f);
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f);
glEnd(); // 四邊形繪製結束
以下的代碼代表星星的運動。我們增加spin的值來旋轉所有的星星(公轉)。然後,將每顆星星的自轉角度增加loop/num。這使離中心更遠的星星轉的更快。最後減少每顆星星離螢幕中心的距離。這樣看起來,星星們好像被不斷地吸入螢幕的中心。
spin+=0.01f; // 星星的公轉
star[loop].angle+=float(loop)/num; // 改變星星的自轉角度
star[loop].dist-=0.01f; // 改變星星離中心的距離
接著幾行檢查星星是否已經碰到了螢幕中心。當星星碰到螢幕中心時,我們為它賦一個新顏色,然後往外移5個單位,這顆星星將踏上它迴歸螢幕中心的旅程。
if (star[loop].dist<0.0f) // 星星到達中心了麼
{
star[loop].dist+=5.0f; // 往外移5個單位
star[loop].r=rand()%256; // 賦一個新紅色分量
star[loop].g=rand()%256; // 賦一個新綠色分量
star[loop].b=rand()%256; // 賦一個新藍色分量
}
}
return TRUE; // 一切正常
}
現在我們添加監視鍵盤的代碼。下移到WinMain()。找到SwapBuffers(hDC)一行。我們就在這一行後面增加鍵盤監視代碼。
代碼將檢查T鍵是否已按下。如果T鍵按下過,並且又放開了,if塊內的代碼將被執行。如果twinkle為FALSE,他將變為TRUE。反之亦然。只要T鍵按下,tp就變為TRUE。這樣處理可以防止如果您一直按著T鍵的話,塊內的代碼被反覆執行。
SwapBuffers(hDC); // 切換緩衝 (雙緩衝)
if (keys['T'] && !tp) // 是否T鍵已按下並且tp值為 FALSE
{
tp=TRUE; // 若是,將tp設為TRUE
twinkle=!twinkle; // 翻轉twinkle的值
}
下面的代碼檢查是否鬆開了T鍵。若是,使tp=FALSE。除非tp的值為FALSE,否則按著T鍵時什麼也不會發生。所以這行代碼很重要。
if (!keys['T']) // T 鍵已鬆開了麼?
{
tp=FALSE; // 若是,tp為 FALSE
}
餘下的代碼檢查上、下方向鍵,向上翻頁鍵或向下翻頁鍵是否按下。
if (keys[VK_UP]) // 上方向鍵按下了麼?
{
tilt-=0.5f; // 螢幕向上傾斜
}
if (keys[VK_DOWN]) // 下方向鍵按下了麼?
{
tilt+=0.5f; // 螢幕向下傾斜
}
if (keys[VK_PRIOR]) // 向上翻頁鍵按下了麼
{
zoom-=0.2f; // 縮小
}
if (keys[VK_NEXT]) // 向下翻頁鍵按下了麼?
{
zoom+=0.2f; // 放大
}
像以前一樣,確認視窗的標題是否正確。
if (keys[VK_F1]) // F1鍵按下了麼?
{
keys[VK_F1]=FALSE;
KillGLWindow(); // 銷毀當前的視窗
fullscreen=!fullscreen; // 切換 全屏/視窗 模式
// 重建 OpenGL 視窗(修改)
if (!CreateGLWindow("NeHe's Textures, Lighting & Keyboard Tutorial",640,480,16,fullscreen))
{
return 0; // 如果視窗未能建立,程式退出
}
}
}
}
}
這一課我盡我所能來解釋如何載入一個灰階位元影像紋理,(使用混色)去掉它的背景色後,再給它上色,最後讓它在3D情境中移動。我已經向您展示了如何建立漂亮的顏色與動畫效果。實現原理是在原始位元影像上再重疊一份位元影像拷貝。到現在為止,只要您很好的理解了我所教您的一切,您應該已經能夠毫無問題的製作您自己的3D Demo了。所有的基礎知識都已包括在內。
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