SCARA——OpenGL入门学习一、二

参考博客：http://www.cppblog.com/doing5552/archive/2009/01/08/71532.html

简介

最近开始一个机械手臂的安装调试，平面关节型机器人又称SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)型机器人,是一种应用于装配作业的机器人手臂。然后找资料学习一下OpenGL。

OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像（二维的亦可），是一个功能强大，调用方便的底层图形库。

OpenGL帮助程序员实现在 PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。虽然DirectX在家用市场全面领先，但在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。

由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD^[1] 、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组。

OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植； OpenGL可以与Visual C++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，OpenGL被设计为只有输出的，所以它只提供渲染功能。

入门学习（一）

OpenGL作为当前主流的图形API之一，它在一些场合具有比DirectX更优越的特性。

1、与C语言紧密结合。

OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的，对于学习过C语言的人来讲，OpenGL是容易理解和学习的。如果你曾经接触过TC的graphics.h，你会发现，使用OpenGL作图甚至比TC更加简单。

2、强大的可移植性。

微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只用于Windows系统（现在还要加上一个XBOX游戏机）。而OpenGL不仅用于 Windows，还可以用于Unix/Linux等其它系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机（如：医疗用显示设备）上都有应用。并且，OpenGL 的基本命令都做到了硬件无关，甚至是平台无关。

3、高性能的图形渲染。

OpenGL是一个工业标准，它的技术紧跟时代，现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持，激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。

总之，OpenGL是一个很NB的图形软件接口。至于究竟有多NB，去看看DOOM3和QUAKE4等专业游戏就知道了。

OpenGL官方网站（英文）

http://www.opengl.org

下面将对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。

学习OpenGL前的准备工作

第一步，选择一个编译环境

现在Windows系统的主流编译环境有Visual Studio，Broland C++ Builder，Dev-C++等，它们都是支持OpenGL的。但这里我们选择Visual
Studio 2008作为学习OpenGL的环境。

第二步，安装GLUT工具包

GLUT不是OpenGL所必须的，但它会给我们的学习带来一定的方便，推荐安装。

Windows环境下的GLUT下载地址：（大小约为150k）

http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip

无法从以上地址下载的话请使用下面的连接:

http://upload.programfan.com/upfile/200607311626279.zip

Windows环境下安装GLUT的步骤：（或者参照博客：http://lesmatines.blog.163.com/blog/static/17396142013113111934550/）

1、将下载的压缩包解开，将得到5个文件

2、在“我的电脑”中搜索“gl.h”，并找到其所在文件夹（如果是VisualStudio2008，则应该是其安装目录下面的“VC\include\gl文件夹”  C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\include\GL）。把解压得到的glut.h放到这个文件夹（若没，则自己创建gl文件夹）。

3、把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹（如果是VisualStudio2008，则应该是其安装目录下面的“VC\lib”文件夹）。

4、把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。（典型的位置为：C:\Windows\System32）64位操作系统的位置为（C:\Windows\SysWOW64）

对于vs2013 64位win7系统的配置如下：

Glut的相关文件可以到：http://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zip 去下载，下载完成后解压可以得到如图所示的五个文件，然后将glut.lib、glut32.lib文件放入VS目录下的VC\LIB文件夹下，将glut.h放入VC\INCLUDE目录下，或者在VC\INCLUDE目录下新建一个命名为GL（大小写均可）的文件夹，在引用的时候，前者为#include<glut.h>或者就变为#inlcude<GL/glut.h>；将glut.dll、glut32.dll放入SysWOW64文件夹下面就可以了。

第三步，建立一个OpenGL工程

这里以Visual Studio 2008为例。

选择File->New->Project，然后选择Win32 Console Application，选择一个名字，然后按OK。

在谈出的对话框左边点Application Settings，找到Empty project并勾上，选择Finish。

然后向该工程添加一个代码文件，取名为“OpenGL.c”，注意用.c来作为文件结尾。

搞定了，就跟平时的工程没什么两样的。

第一个OpenGL程序

一个简单的OpenGL程序如下：（注意，如果需要编译并运行，需要正确安装GLUT，安装方法如上所述）

#include <GL/glut.h>
void myDisplay(void)
{
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     glRectf(-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.5f);
     glFlush();
}
int main(int argc, char *argv[])
{
     glutInit(&argc, argv);
     glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
     glutInitWindowPosition(100, 100);
     glutInitWindowSize(400, 400);
     glutCreateWindow("第一个OpenGL程序");
     glutDisplayFunc(&myDisplay);
     glutMainLoop();
     return 0;
}

该程序的作用是在一个黑色的窗口中央画一个白色的矩形。下面对各行语句进行说明。

首先，需要包含头文件#include <GL/glut.h>，这是GLUT的头文件。

本来OpenGL程序一般还要包含<GL/gl.h>和<GL/glu.h>，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含。

然后看main函数。

int main(int argc, char *argv[])，这个是带命令行参数的main函数，各位应该见过吧？没见过的同志们请多翻翻书，等弄明白了再往下看。

注意main函数中的各语句，除了最后的return之外，其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数，下面对用到的几个函数进行介绍。

1、glutInit，对GLUT进行初始化，这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较死板，一般照抄这句glutInit(&argc, argv)就可以了。

2、 glutInitDisplayMode，设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的还有GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）。GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的还有GLUT_DOUBLE（使用双缓冲）。更多信息，请自己Google。当然以后的教程也会有一些讲解。

3、glutInitWindowPosition，这个简单，设置窗口在屏幕中的位置。

4、glutInitWindowSize，这个也简单，设置窗口的大小。

5、glutCreateWindow，根据前面设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意：窗口被创建后，并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口。

6、glutDisplayFunc，设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用。（这个说法不够准确，但准确的说法可能初学者不太好理解，暂时这样说吧）。

7、glutMainLoop，进行一个消息循环。（这个可能初学者也不太明白，现在只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，这就足够了。）

在glutDisplayFunc函数中，我们设置了“当需要画图时，请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay中的三个函数调用，发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数，下面对用到的函数进行介绍。

1、glClear，清除。GL_COLOR_BUFFER_BIT表示清除颜色，glClear函数还可以清除其它的东西，但这里不作介绍。

2、glRectf，画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标。

3、glFlush，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）。其作用跟fflush(stdout)类似。

入门学习（二）

本次课程所要讲的是绘制简单的几何图形，在实际绘制之前，让我们先熟悉一些概念。

一、点、直线和多边形
我们知道数学（具体的说，是几何学）中有点、直线和多边形的概念，但这些概念在计算机中会有所不同。
数学上的点，只有位置，没有大小。但在计算机中，无论计算精度如何提高，始终不能表示一个无穷小的点。另一方面，无论图形输出设备（例如，显示器）如何精确，始终不能输出一个无穷小的点。一般情况下，OpenGL中的点将被画成单个的像素（像素的概念，请自己搜索之~），虽然它可能足够小，但并不会是无穷小。同一像素上，OpenGL可以绘制许多坐标只有稍微不同的点，但该像素的具体颜色将取决于OpenGL的实现。当然，过度的注意细节就是钻牛角尖，我们大可不必花费过多的精力去研究“多个点如何画到同一像素上”。
同样的，数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。同时，OpenGL的直线必须是有限长度，而不是像数学概念那样是无限的。可以认为，OpenGL的“直线”概念与数学上的“线段”接近，它可以由两个端点来确定。
多边形是由多条线段首尾相连而形成的闭合区域。OpenGL规定，一个多边形必须是一个“凸多边形”（其定义为：多边形内任意两点所确定的线段都在多边形内，由此也可以推导出，凸多边形不能是空心的）。多边形可以由其边的端点（这里可称为顶点）来确定。（注意：如果使用的多边形不是凸多边形，则最后输出的效果是未定义的——OpenGL为了效率，放宽了检查，这可能导致显示错误。要避免这个错误，尽量使用三角形，因为三角形都是凸多边形）

可以想象，通过点、直线和多边形，就可以组合成各种几何图形。甚至于，你可以把一段弧看成是很多短的直线段相连，这些直线段足够短，以至于其长度小于一个像素的宽度。这样一来弧和圆也可以表示出来了。通过位于不同平面的相连的小多边形，我们还可以组成一个“曲面”。

二、在OpenGL中指定顶点
由以上的讨论可以知道，“点”是一切的基础。
如何指定一个点呢？OpenGL提供了一系列函数。它们都以glVertex开头，后面跟一个数字和1~2个字母。例如：
glVertex2d
glVertex2f
glVertex3f
glVertex3fv
等等。
数字表示参数的个数，2表示有两个参数，3表示三个，4表示四个（我知道有点罗嗦~）。
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位浮点数（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）。
                   v表示传递的几个参数将使用指针的方式，见下面的例子。
这些函数除了参数的类型和个数不同以外，功能是相同的。例如，以下五个代码段的功能是等效的：
（一）glVertex2i(1, 3);
（二）glVertex2f(1.0f, 3.0f);
（三）glVertex3f(1.0f, 3.0f, 0.0f);
（四）glVertex4f(1.0f, 3.0f, 0.0f, 1.0f);
（五）GLfloat VertexArr3[] = {1.0f, 3.0f, 0.0f};
      glVertex3fv(VertexArr3);
以后我们将用glVertex*来表示这一系列函数。
注意：OpenGL的很多函数都是采用这样的形式，一个相同的前缀再加上参数说明标记，这一点会随着学习的深入而有更多的体会。

三、开始绘制
假设现在我已经指定了若干顶点，那么OpenGL是如何知道我想拿这些顶点来干什么呢？是一个一个的画出来，还是连成线？或者构成一个多边形？或者做其它什么事情？
为了解决这一问题，OpenGL要求：指定顶点的命令必须包含在glBegin函数之后，glEnd函数之前（否则指定的顶点将被忽略）。并由glBegin来指明如何使用这些点。
例如我写：
glBegin(GL_POINTS);
     glVertex2f(0.0f, 0.0f);
     glVertex2f(0.5f, 0.0f);
glEnd();
则这两个点将分别被画出来。如果将GL_POINTS替换成GL_LINES，则两个点将被认为是直线的两个端点，OpenGL将会画出一条直线。
我们还可以指定更多的顶点，然后画出更复杂的图形。
另一方面，glBegin支持的方式除了GL_POINTS和GL_LINES，还有GL_LINE_STRIP，GL_LINE_LOOP，GL_TRIANGLES，GL_TRIANGLE_STRIP，GL_TRIANGLE_FAN等，每种方式的大致效果见下图：

声明：该图片来自www.opengl.org，该图片是《OpenGL编程指南》一书的附图，由于该书的旧版（第一版，1994年）已经流传于网络，我希望没有触及到版权问题。

我并不准备在glBegin的各种方式上大作文章。大家可以自己尝试改变glBegin的方式和顶点的位置，生成一些有趣的图案。

程序代码：

void myDisplay(void)
{
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     glBegin( /* 在这里填上你所希望的模式 */ );
        /* 在这里使用glVertex*系列函数 */
        /* 指定你所希望的顶点位置 */
     glEnd();
     glFlush();
}

把这段代码改成你喜欢的样子，然后用它替换第一课中的myDisplay函数，编译后即可运行。

两个例子
例一、画一个圆
/*
正四边形，正五边形，正六边形，……，直到正n边形，当n越大时，这个图形就越接近圆
当n大到一定程度后，人眼将无法把它跟真正的圆相区别
这时我们已经成功的画出了一个“圆”
（注：画圆的方法很多，这里使用的是比较简单，但效率较低的一种）
试修改下面的const int n的值，观察当n=3,4,5,8,10,15,20,30,50等不同数值时输出的变化情况
将GL_POLYGON改为GL_LINE_LOOP、GL_POINTS等其它方式，观察输出的变化情况

*/

#include <math.h>
const int n = 20;
const GLfloat R = 0.5f;
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay(void)
{
     int i;
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     glBegin(GL_POLYGON);
     for(i=0; i<n; ++i)
         glVertex2f(R*cos(2*Pi/n*i), R*sin(2*Pi/n*i));
     glEnd();
     glFlush();
}

例二、画一个五角星
/*
设五角星的五个顶点分布位置关系如下：
      A
E        B

D    C
首先，根据余弦定理列方程，计算五角星的中心到顶点的距离a
（假设五角星对应正五边形的边长为1.0）
a = 1 / (2-2*cos(72*Pi/180));
然后，根据正弦和余弦的定义，计算B的x坐标bx和y坐标by，以及C的y坐标
（假设五角星的中心在坐标原点）
bx = a * cos(18 * Pi/180);
by = a * sin(18 * Pi/180);
cy = -a * cos(18 * Pi/180);
五个点的坐标就可以通过以上四个量和一些常数简单的表示出来

*/

#include <math.h>
const GLfloat Pi = 3.1415926536f;
void myDisplay(void)
{
     GLfloat a = 1 / (2-2*cos(72*Pi/180));
     GLfloat bx = a * cos(18 * Pi/180);
     GLfloat by = a * sin(18 * Pi/180);
     GLfloat cy = -a * cos(18 * Pi/180);
     GLfloat
         PointA[2] = { 0, a },
         PointB[2] = { bx, by },
         PointC[2] = { 0.5, cy },
         PointD[2] = { -0.5, cy },
         PointE[2] = { -bx, by };

     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     // 按照A->C->E->B->D->A的顺序，可以一笔将五角星画出
     glBegin(GL_LINE_LOOP);
         glVertex2fv(PointA);
         glVertex2fv(PointC);
         glVertex2fv(PointE);
         glVertex2fv(PointB);
         glVertex2fv(PointD);
     glEnd();
     glFlush();
}

例三、画出正弦函数的图形
/*
由于OpenGL默认坐标值只能从-1到1，（可以修改，但方法留到以后讲）
所以我们设置一个因子factor，把所有的坐标值等比例缩小，
这样就可以画出更多个正弦周期
试修改factor的值，观察变化情况
*/

#include <math.h>
const GLfloat factor = 0.1f;
void myDisplay(void)
{
     GLfloat x;
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
     glBegin(GL_LINES);
         glVertex2f(-1.0f, 0.0f);
         glVertex2f(1.0f, 0.0f);         // 以上两个点可以画x轴
         glVertex2f(0.0f, -1.0f);
         glVertex2f(0.0f, 1.0f);         // 以上两个点可以画y轴
     glEnd();
     glBegin(GL_LINE_STRIP);
     for(x=-1.0f/factor; x<1.0f/factor; x+=0.01f)
     {
         glVertex2f(x*factor, sin(x)*factor);
     }
     glEnd();
     glFlush();
}

小结
本课讲述了点、直线和多边形的概念，以及如何使用OpenGL来描述点，并使用点来描述几何图形。
大家可以发挥自己的想象，画出各种几何图形，当然，也可以用GL_LINE_STRIP把很多位置相近的点连接起来，构成函数图象。如果有兴趣，也可以去找一些图象比较美观的函数，自己动手，用OpenGL把它画出来。