Linux下的OpenGL編程

OpenGL是一個工業標準的三維電腦圖形軟體介面，它由SGI公司發布並廣泛應用於Unix、OS/2、Windows/NT等多種平台，當然也包括Linux。在Windows/NT平台上，一般的開發工具如VC、BC、Fortran Powerstation等都支援直接的OpenGL應用的開發；在商用Unix平台上，Motif同樣很好的支援OpenGL（畢竟OpenGL最初是工作站上的東西）；那麼在Linux上呢？
　　 本文不著力於OpenGL編程的方法和技巧，而是把重點放在如何在Linux平台上開發OpenGL程式。介紹支援OpenGL的幾個工具包，並輔以詳細的執行個體來闡述。

1.Linux下OpenGL編程環境簡介

　　OpenGL不是自由軟體，它的著作權、商標（OpenGL這個名字）都歸SGI公司所有。但在Linux下有OpenGL的取代產品：Mesa。Mesa提供和OpenGL幾乎完全一致的介面，對利用OpenGLAPI編程的人來說，幾乎感覺不到任何差異。Mesa是遵循GPL協議（部分遵循LGPL協議）的自由軟體，而且，正是由於Mesa的自由性，它在對新硬體的支援度等方面都超過了OpenGL。Mesa可以從www.mesa3d.org取得。得到Mesa後，依照說明即可產生編寫程式所需要的動態、靜態串連庫和標頭檔。
　　 瞭解OpenGL的讀者都知道，OpenGL本身只提供三維圖形介面，不具備繪製視窗、接受響應、處理訊息等功能。這些功能必須由第三方的開發環境提供，如上面提及的VC等等。有人會想，既然在Motif下可以開發OpenGL程式，那麼，使用Linux下的Le tif也應該可以。是的，的確可以，但不幸的是，Linux下的Le tif是一個很不成熟的產品，而且也不具有可移植性，所以應用Le tif開發的人很少。下面我們簡單介紹幾個常用的工具包。
　　 在Linux下開發OpenGL程式，最常用的工具是GLUT（TheOpenGLUtility Toolkit）。它可以建立一個或多個OpenGL視窗，響應、處理使用者的互動操作、簡單的彈出式菜單以及一些內建的繪圖和字型處理功能。GLUT和OpenGL一樣，可以移植於多種平台。由於它良好的表現，現在它已經成為Mesa發布的標準套件之一。
　　 另一個很好的開發套件是FLTK（Fast Light Tool Kit），這是一個用C 編寫的圖形介面開發工具。和GTK 、KDE不同，它只關注於圖形介面的設計，而盡量不牽涉其他的實際應用。這個特點使得它比其他許多開發工具簡練和高效。而且，它同樣也是一個具有良好移植性的開發工具。事實上，它現在正引來越來越多人的興趣，許多商業軟體（尤其是致力於開發嵌入式案頭系統的軟體）都選用了它作為圖形介面的開發工具。關於它的詳細情況參見作者的另一篇文章《FLTK---一個優秀的圖形介面開發套件》。在FLTK裡有一個組件：Fl_Gl_Window是專門的OpenGL視窗，利用它開發OpenGL程式相當方便。
　　 最後要提的是GTK和KDE，它們是目前在Linux下用的最多的開發工具。GTK本身並不直接支援OpenGL（新的版本是否支援，尚不太清楚），但有人開發了支援OpenGL的Widget，叫做GLAREA，需要的讀者可以到網上去尋找或者與本文作者聯絡。KDE提供了對OpenGL的支援，但它的缺陷之一是KDE只運行於Linux系統，不具有可移植性。在這裡，我將主要向大家介紹前面兩個工具包。

2. 用GLUT開發OpenGL程式

2.1 如何獲得
　　GLUT可以從Mesa中獲得，讀者也可以直接到它的首頁去下載它：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　http://reality.sgi.com/employees/mjk_asd/glut3/glut3.html。按照說明安裝後在OpenGL的標頭檔GL目錄下將會有GLUT的標頭檔glut.h，同時安裝的還有庫檔案libglut.a或libglut.so。有了它們以後，就可以用GLUT來編程了。

2.2 一個簡單的例子
下面，我們先看一個簡單的例子。這個例子畫一個立體的球。
/* light.c
此程式利用GLUT繪製一個OpenGL視窗，並顯示一個加以光照的球。
*/
/* 由於標頭檔glut.h中已經包含了標頭檔gl.h和glu.h，所以只需要include 此檔案*/
# include < GL /glut.h >
# include < stdlib.h >

/* 初始化材料屬性、光源屬性、光照模型，開啟深度緩衝區 */
void init ( void )
{
GLfloat mat_ ecular [ ] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
GLfloat mat_shinine [ ] = { 50.0 };
GLfloat light_position [ ] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

glClearColor ( 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 );
glShadeModel ( GL_SMOOTH );

glMaterialfv ( GL_FRONT, GL_ ECULAR, mat_ ecular);
glMaterialfv ( GL_FRONT, GL_SHININE , mat_shinine );
glLightfv ( GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glEnable (GL_LIGHTING);
glEnable (GL_LIGHT0);
glEnable (GL_DEPTH_TEST);
}
/*調用GLUT函數，繪製一個球*/
void di lay ( void )
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glutSolid here (1.0, 40, 50);
glFlush ();
}
/* 定義GLUT的reshape函數，w、h分別是當前視窗的寬和高*/
void reshape (int w, int h)
{
glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glLoadIdentity ( );
if (w <= h)
glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5 * ( GLfloat ) h / ( GLfloat ) w,
1.5 * ( GLfloat ) h / ( GLfloat ) w, -10.0, 10.0 );
else
glOrtho (-1.5 * ( GLfloat ) w / ( GLfloat ) h,
1.5 * ( GLfloat ) w / ( GLfloat ) h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);
glMatrixMode ( GL_MODELVIEW );
glLoadIdentity ( ) ;
}

/* 定義對鍵盤的響應函數 */
void keyboard ( u igned char key, int x, int y)
{
/*按Esc鍵退出*/
switch (key) {
case 27:
exit ( 0 );
break;
}
}

int main(int argc, char** argv)
{
/*GLUT環境初始化*/
glutInit (&am argc, argv);
/* 顯示模式初始化 */
glutInitDi layMode (GLUT_SINGLE |GLUT_RGB |GLUT_DEPTH);
/* 定義視窗大小 */
glutInitWindowSize (300, 300);
/* 定義視窗位置 */
glutInitWindowPosition (100, 100);
/* 顯示視窗，視窗標題為執行函數名 */
glutCreateWindow ( argv [ 0 ] );
/* 調用OpenGL初始化函數 */
init ( );
/* 註冊OpenGL繪圖函數 */
glutDi layFunc ( di lay );
/* 註冊視窗大小改變時的響應函數 */
glutReshapeFunc ( reshape );
/* 註冊鍵盤響應函數 */
glutKeyboardFunc ( keyboard );
/* 進入GLUT訊息迴圈，開始執行程式 */
glutMainLoop( );
return 0;
}
　　 從上面的例子中我們可以看出，GLUT採用一種函數註冊的機制來實現OpenGL繪圖。它的一般流程正如我們上面的注釋所寫，先是初始化函數，定義視窗，然後執行OpenGL初始化程式，這主要是一些需要全域設定的環境變數。接下來是註冊相應事件的函數，包括完成實際繪圖工作的繪製程式、改變OpenGL視窗大小時的響應函數、鍵盤事件的響應函數和滑鼠時間的響應函數。最後調用glutMainLoop（）函數，執行在glutReshapeFunc和glutDi layFunc中註冊的函數，進入訊息迴圈。當使用者通過鍵盤和滑鼠進行互動操作時，它即調用相應的函數。
　　我們編譯上面的名為light.c的源檔案。假定標頭檔（目錄GL）放在目錄/usr/local/include下，庫檔案（動態庫 libGL.so.*、libGLU.so.*和libglut.so.*）在目錄/usr/local/lib目錄下，並已經運行了ldconfig，則編譯命令為：
　　 gcc -I/usr/local/include -L/usr/local/lib -L/usr/X11R6/lib -lglut -lGLU -lGL
　　 -lX11 -lXext -lXmu -lXi -lm light.c -o light
　　 其中的-lX11 -lXert -lXi -lm 是繪製視窗需要的X的庫，它們預設在 /usr/X11R6/lib目錄下。下面的圖一即是運行light的結果，當按下ESC鍵時，程式會退出。調整視窗大小時，圖形自動重繪。注意在上面 reshape函數中，比較w和h的值給出的取景變換，這是一個常用的技巧。