[Python图像处理]二十七.OpenGL入门及绘制基本图形（一）

• 从OpenGL的几何图元中设置数据，用于构建形状


• 使用不同的着色器（shader）对输入的图元数据执行计算操作，判断它们的位置、颜色，以及其他渲染属性


• 将输入图元的数学描述转换为与屏幕位置对应的像素片元（fragment），这一步也称作光栅化（rasterization）


• 最后，针对光栅化过程产生的每个片元，执行片元着色器（fragment shader），从而决定这个片元的最终颜色和位置


• 如果有必要，还需要对每个片元执行一些额外的操作，例如判断片元对应的对象是否可见，或者将片元的颜色与当前屏幕位置的颜色进行融合

我们首先介绍两个入门代码，然后再进行深入的讲解。

核心步骤如下：

• 主函数使用glut库初始化OpenGL
  glutInit()


• 设置显示模式并初始化glut窗口（画布）
  glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
  
  glutInitWindowSize(400, 400)
  
  glutCreateWindow(“eastmount”)


• 注册绘制图像的回调函数，如display()
  glutDisplayFunc(display)


• 绘制图像display函数，包括清除画布、设置颜色、绘制图元、设置定点、结束绘制、刷新执行
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
  
  glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)
  
  glBegin(GL_QUADS)
  
  glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.0)
  
  glVertex3f(0.5, -0.5, 0.0)
  
  glVertex3f(0.5, 0.5, 0.0)
  
  glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.0)
  
  glEnd()
  
  glFlush()
  


• 进入glut主循环
  glutMainLoop()

注意，glut提供了一些现成的绘制立体的API，如glutWireSphere绘制球、glutWireCone绘制椎体、glutWireCube绘制立体、glutWireTorus绘制甜圈、glutWireTeapot绘制茶壶、glutWireOctahedron绘制八面体，请读者自行提升。

• glutInit()：对GLUT进行初始化，该函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较死板，一般glutInit()直接调用即可。


• glutInitDisplayMode()：设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的是GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）；GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的是GLUT_DOUBLE（表示使用双缓冲）。更多参数请读者阅读官方网站或Google。


• glutInitWindowPosition()：设置窗口在屏幕中的位置。


• glutInitWindowSize()：设置窗口的大小，两个参数表示长度和宽度。


• glutCreateWindow()：根据当前设置的信息创建窗口，参数将作为窗口的标题。需要注意的是，当窗口被创建后，并不是立即显示到屏幕上，需要调用glutMainLoop()才能看到窗口。


• glutDisplayFunc()：设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用，通常用来调用绘制图形函数。


• glutMainLoop()：进行一个消息循环，大家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。

以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数。

• glClear()：清除，其中参数GL_COLOR_BUFFER_BIT表示清除颜色，GL_DEPTH_BUFFER_BIT表示清除深度。


• glRectf()：画一个矩形，四个参数分别表示位于对角线上的两个点的横、纵坐标。


• glFlush()：刷新显示图像，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。


• OpenGL要求指定顶点的命令（glVertex2f）必须包含在glBegin()函数和glEnd()函数之间执行。

(2) 绘制顶点

顶点（vertex）是 OpengGL 中非常重要的概念，描述线段、多边形都离不开顶点。它们都是以glVertex开头，后面跟一个数字和1~2个字母，比如：

• glVertex2d


• glVertex2f


• glVertex3f


• glVertex3fv

数字表示参数的个数，2表示有2个参数（xy坐标），3表示三个（xyz坐标），4表示四个（齐次坐标 w）。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为浮点数（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）。例如：

• glVertex2i(1, 3)


• glVertex2f(1.0, 3.0)


• glVertex3f(1.0, 3.0, 1.0)


• glVertex4f(1.0, 3.0, 0.0, 1.0)

注意，OpenGL中很多函数都采用这种形式命名。

(3) 设置颜色

在OpenGL中，设置颜色函数以glColor开头，后面跟着参数个数和参数类型。参数可以是0到255之间的无符号整数，也可以是0到1之间的浮点数。三个参数分别表示RGB分量，第四个参数表示透明度（其实叫不透明度更恰当）。以下最常用的两个设置颜色的方法：

• glColor3f(1.0，0.0，0.0) #红色


• glColor3f(0.0，1.0，0.0) #绿色


• glColor3f(0.0，0.0，1.0) #蓝色


• glColor3f(1.0，1.0，1.0) #白色


• glColor4f(0.0，1.0，0.0，0.0) #红色且不透明度


• glColor3ub(255, 0, 0) #红色

注意，OpenGL是使用状态机模式，颜色是一个状态变量，设置颜色就是改变这个状态变量并一直生效，直到再次调用设置颜色的函数。除了颜色，OpenGL 还有很多的状态变量或模式。

(4) 绘制基本图形

前面我们介绍了各种图像，下表展示了常见的图像元件。

• GL_POINTS：绘制顶点


• GL_LINES：绘制线段


• GL_LINE_STRIP：绘制连续线段


• GL_LINE_LOOP：绘制闭合的线段


• GL_POLYGON：绘制多边形


• GL_TRIANGLES：绘制三角形


• GL_TRIANGLE_STRIP：绘制连续三角形


• GL_TRIANGLE_FAN：绘制多个三角形组成的扇形


• GL_QUADS：绘制四边形


• GL_QUAD_STRIP：绘制连续四边形

详见下图所示。

在深入学习OpenGL之前，我们有必要了解一些最常用的图形学名词、OpenGL原理和语法。

(2) 现代OpenGL

现代OpenGL利用一系列的操作，即通过“三维图形管线”绘制图形，其基本流程如下图所示。

简化三维图形管线分为6步：

• 三维几何图形定义（VBO等）。 在第一步，通过定义在三维空间中的三角形的顶点，并指定每个顶点相关联的颜色，我们定义了三维几何图形。


• 顶点着色器。 接下来，变换这些顶点：第一次变换将这些顶点放在三维空间中，第二次变换将三维坐标投影到二维空间。根据照明等因素，对应顶点的颜色值也在这一步中计算，这在代码中通常称为“顶点着色器”。


• 光栅化。 将几何图形“光栅化”（从几何物体转换为像素）。


• 片段着色器。 针对每个像素，执行另一个名为“片段着色器”的代码块。正如顶点着色器作用于三维顶点，片段着色器作用于光栅化后的二维像素。


• 帧缓冲区操作（深度测试、混合等）。 最后，像素经过一系列帧缓冲区操作，其中，它经过“深度缓冲区检验”（检查一个片段是否遮挡另一个）、“混合”（用透明度混合两个片段）以及其他操作，其当前的颜色与帧缓冲区中该位置已有的颜色结合。


• 帧缓冲区。 这些变化最终体现在最后的帧缓冲区上，通常显示在屏幕上。

3.OpenGL绘制时钟

本篇文章主要讲解Python和OpenGL基础知识，包括安装、基础语法、绘制图形等。希望对读者有一定帮助，也希望这些知识点为读者从事Python图像处理相关项目实践或科学研究提供一定基础。

八年，从100万名挤进2万名，再到如今的122名，挺开心的。喜欢的不是那个数字，而是数字背后近三千天得奋斗史，以及分享知识和帮人解惑所带来的快乐，接下来暂停分析网络安全文章，将系统分享一些Python和人工智能的文章，且看且珍惜，继续敲代码喽~同时，在家好好陪陪女神。

武汉加油，湖北加油，中国加油！

参考文献：

本文参考下面的书籍及博客，在此感谢这些作者，也非常推荐大家阅读许老师的CSDN博客。