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Linux下的OpenGL编程　　

　　OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形软件接口，它由SGI公司发布并广泛应用于Unix、OS/2、Windows/NT等多种平台，当然也包括Linux。在Windows/NT平台上，一般的开发工具如VC、BC、Fortran Powerstation等都支持直接的OpenGL应用的开发；在商用Unix平台上，Motif同样很好的支持OpenGL（毕竟OpenGL最初是工作站上的东西）；那么在Linux上呢？
　　本文不着力于OpenGL编程的方法和技巧，而是把重点放在如何在Linux平台上开发OpenGL程序。介绍支持OpenGL的几个工具包，并辅以详细的实例来阐述。

1. Linux下OpenGL编程环境简介

　　OpenGL不是自由软件，它的版权、商标（OpenGL这个名字）都归SGI公司所有。但在Linux下有OpenGL的取代产品：Mesa。Mesa提供和OpenGL几乎完全一致的接口，对利用OpenGL API编程的人来说，几乎感觉不到任何差异。Mesa是遵循GPL协议（部分遵循LGPL协议）的自由软件，而且，正是由于Mesa的自由性，它在对新硬件的支持度等方面都超过了OpenGL。Mesa可以从www.mesa3d.org取得。得到Mesa后，依照说明即可生成编写程序所需要的动态、静态连接库和头文件。
　　了解OpenGL的读者都知道，OpenGL本身只提供三维图形接口，不具备绘制窗口、接受响应、处理消息等功能。这些功能必须由第三方的开发环境提供，如上面提及的VC等等。有人会想，既然在Motif下可以开发OpenGL程序，那么，使用Linux下的Lesstif也应该可以。是的，的确可以，但不幸的是，Linux下的Lesstif是一个很不成熟的产品，而且也不具有可移植性，所以应用Lesstif开发的人很少。下面我们简单介绍几个常用的工具包。
　　在Linux下开发OpenGL程序，最常用的工具是GLUT（The OpenGL Utility Toolkit）。它可以创建一个或多个OpenGL窗口，响应、处理用户的交互操作、简单的弹出式菜单以及一些内置的绘图和字体处理功能。GLUT和OpenGL一样，可以移植于多种平台。由于它良好的表现，现在它已经成为Mesa发布的标准套件之一。
　　另一个很好的开发工具包是FLTK（Fast Light Tool Kit），这是一个用C++编写的图形界面开发工具。和GTK++、KDE不同，它只关注于图形界面的设计，而尽量不牵涉其他的实际应用。这个特点使得它比其他许多开发工具简练和高效。而且，它同样也是一个具有良好移植性的开发工具。事实上，它现在正引来越来越多人的兴趣，许多商业软件（尤其是致力于开发嵌入式桌面系统的软件）都选用了它作为图形界面的开发工具。关于它的详细情况参见作者的另一篇文章《FLTK---一个优秀的图形界面开发工具包》。在FLTK里有一个组件：Fl_Gl_Window是专门的OpenGL窗口，利用它开发OpenGL程序相当方便。
　　最后要提的是GTK和KDE，它们是目前在Linux下用的最多的开发工具。GTK本身并不直接支持OpenGL（新的版本是否支持，尚不太清楚），但有人开发了支持OpenGL的Widget，叫做GLAREA，需要的读者可以到网上去查找或者与本文作者联系。KDE提供了对OpenGL的支持，但它的缺陷之一是KDE只运行于Linux系统，不具有可移植性。在这里，我将主要向大家介绍前面两个工具包。

2. 用GLUT开发OpenGL程序

2.1 如何获得
　　GLUT可以从Mesa中获得，读者也可以直接到它的主页去下载它：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　http://reality.sgi.com/employees/mjk_asd/glut3/glut3.html。按照说明安装后在OpenGL的头文件GL目录下将会有GLUT的头文件glut.h，同时安装的还有库文件libglut.a或libglut.so。有了它们以后，就可以用GLUT来编程了。

2.2 一个简单的例子
下面，我们先看一个简单的例子。这个例子画一个立体的球。
/* light.c
此程序利用GLUT绘制一个OpenGL窗口，并显示一个加以光照的球。
*/
/* 由于头文件glut.h中已经包含了头文件gl.h和glu.h，所以只需要include 此文件*/
# include < GL / glut.h >
# include < stdlib.h >

/* 初始化材料属性、光源属性、光照模型，打开深度缓冲区 */
void init ( void )
{
GLfloat mat_specular [ ] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
GLfloat mat_shininess [ ] = { 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_SPECULAR, mat_specular);
glMaterialfv ( GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);
glLightfv ( GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glEnable (GL_LIGHTING);
glEnable (GL_LIGHT0);
glEnable (GL_DEPTH_TEST);
}
/*调用GLUT函数，绘制一个球*/
void display ( void )
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glutSolidSphere (1.0, 40, 50);
glFlush ();
}
/* 定义GLUT的reshape函数，w、h分别是当前窗口的宽和高*/
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 ( ) ;
}

/* 定义对键盘的响应函数 */
void keyboard ( unsigned char key, int x, int y)
{
/*按Esc键退出*/
switch (key) {
case 27:
exit ( 0 );
break;
}
}

int main(int argc, char** argv)
{
/* GLUT环境初始化*/
glutInit (&argc, argv);
/* 显示模式初始化 */
glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
/* 定义窗口大小 */
glutInitWindowSize (300, 300);
/* 定义窗口位置 */
glutInitWindowPosition (100, 100);
/* 显示窗口，窗口标题为执行函数名 */
glutCreateWindow ( argv [ 0 ] );
/* 调用OpenGL初始化函数 */
init ( );
/* 注册OpenGL绘图函数 */
glutDisplayFunc ( display );
/* 注册窗口大小改变时的响应函数 */
glutReshapeFunc ( reshape );
/* 注册键盘响应函数 */
glutKeyboardFunc ( keyboard );
/* 进入GLUT消息循环，开始执行程序 */
glutMainLoop( );
return 0;
}
　　从上面的例子中我们可以看出，GLUT采用一种函数注册的机制来实现OpenGL绘图。它的一般流程正如我们上面的注释所写，先是初始化函数，定义窗口，然后执行OpenGL初始化程序，这主要是一些需要全局设置的环境变量。接下来是注册相应事件的函数，包括完成实际绘图工作的绘制程序、改变OpenGL窗口大小时的响应函数、键盘事件的响应函数和鼠标时间的响应函数。最后调用glutMainLoop（）函数，执行在glutReshapeFunc和glutDisplayFunc中注册的函数，进入消息循环。当用户通过键盘和鼠标进行交互操作时，它即调用相应的函数。
　　我们编译上面的名为light.c的源文件。假定头文件（目录GL）放在目录/usr/local/include下，库文件（动态库libGL.so.*、libGLU.so.*和libglut.so.*）在目录/usr/local/lib目录下，并已经运行了ldconfig，则编译命令为：
　　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 是绘制窗口需要的X的库，它们默认在 /usr/X11R6/lib目录下。下面的图一即是运行light的结果，当按下ESC键时，程序会退出。调整窗口大小时，图形自动重绘。注意在上面reshape函数中，比较w和h的值给出的取景变换，这是一个常用的技巧。

　 　　
　　　　　　　　　图一

2.3 GLUT简介
　　GLUT常用的函数主要包括以下几类：
　　· 初始化函数。主要就是上面例子中的几个函数。
　　· 消息循环函数。即glutMainLoop函数。
　　· 窗口管理函数。包括窗口的创建、修改、删除等。GLUT支持多个OpenGL窗口。
　　· Overlay管理函数。当用户显卡支持Overlay方式时，可以用这些函数来创建、管理、删除GLUT窗口的Overlay。
　　· 菜单管理函数。定制菜单以及定义菜单相应事件。
　　· 事件注册函数。除了上面例子中提及的外，还有鼠标、空间球（提供三维操作的装备）、特殊键（Ctrl、Shift、F系列键、方向键）等设备的事件注册函数。
　　· 字体绘制函数。用多种字体、字号供选择。
　　· 简单几何体的绘制程序。包括球、立方体、锥体、圆环体、十二面体、八面体、四面体、二十面体和茶壶。每种几何体都有实体和虚线两个选项。
　　· 取状态函数。类似OpenGL的glGet系列函数，取得GLUT的各种状态值。
　　· 颜色索引表函数。
这些函数极大的方便了用户的OpenGL编程。下面我们简略介绍一下几个常用的函数。
　　· glutPostRedisplay（）。发送消息给函数glutMainLoop，请求重绘本窗口。利用此函数可以实现动画。例如在上面的例子中，我们添加一个全局变量：float move=0.0。并定义函数MoveSphere如下：
void MoveSphere ( void )
{
for(int i=0;i<100;i++){
if ( move<1.0) move+=0.1;
else move=0.0;
glutPostRedisplay ( );
}
}
同时修改函数display（）为：
void display ( void )
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glTranslatef ( move, 0.0, 0.0);
glutSolidSphere (1.0, 40, 50);
glFlush ();
}
　　这样，当我们执行函数MoveSphere时，就会看到上面的球从中间向右移动一段距离，然后又回到中心，继续移动。
　　· glutIdleFunc（）函数。这个函数注册一个空闲程序一直在后台运行。我们将上面的MoveSphere函数加以修改，去掉循环，然后在light.c程序的glutMainLoop（）函数调用前添加一行代码：glutIdleFunc (MoveSphere)；这样我们不需要直接调用函数MoveSphere，程序一运行，它就被反复调用直到我们退出程序为止，这和我们前一版本中它只能循环特定的步数不一样。
　　· glutTimerFunc（）函数。和前面的glutIdleFunc（）函数类似，但不同的是它注册的函数每隔特定的事件发生。时间的单位是毫秒。
　　· glutBitmapCharacter（）函数。用位图方式按指定的字体绘制一个字符串。
　　· glutSolidSphere（）函数。这是绘制几何体类函数中的一个。此函数绘制一个球体。

2.4 一个更有代表性的例子
　　下面我们来看一个稍稍复杂的例子。我们绘制一个平面，用户的左键点击被自动连接成一个多边形。当用户点击右键，会弹出菜单供用户选择。用户可以选择清除、镶嵌和退出。选择清除将回到初始状态；选择镶嵌程序自动对多边形进行三角剖分；选择退出则终止程序。（见图二、图三和图四）

　　　　　　
　　　　　　　图二 　　　　　　　　　　　　　　图三 　　　　　　　　　　　　　　图四
/* tessdemo.c 多边形镶嵌的例子，使用函数gluTessCallback和函数gluTessVertex。*/
#include <GL/glut.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

/* 定义允许的最大多边形数、多边形允许的最大顶点数和可镶嵌的最大三角形数*/
#define MAX_POINTS 256
#define MAX_CONTOURS 32
#define MAX_TRIANGLES 256

/* 用于菜单选项的枚举类型 */
typedef enum{ QUIT, TESSELATE, CLEAR } menu_entries;
static mode_type mode;

/* 定义绘制模式的枚举类型 */
typedef enum{ DEFINE, TESSELATED } mode_type;
static int menu;
static GLsizei width, height; /* OpenGL窗口的大小 */
static GLuint contour_cnt; /* 记录多边形数目 */
static GLuint triangle_cnt; /* 记录三角形数目 */
static GLuint list_start; /* 用于显示列表 */

/* 多边形结构 */
static struct {
GLfloat p[MAX_POINTS][2];
GLuint point_cnt;
} contours [ MAX_CONTOURS ] ;

/* 三角形结构 */
static struct {
GLsizei no;
GLfloat p [3] [2];
GLclampf color [3] [3];
} triangles [ MAX_TRIANGLES ];

/* 窗口大小改变时，设定width和height值，用于重新绘制网格 */
void set_screen_wh ( GLsizei w, GLsizei h )
{ width = w; height = h; }

void tesse ( void )
{ /* 镶嵌函数，调用gluTess* 函数实现*/ }

/* 对点击鼠标左键事件的响应函数：更新当前多边形顶点数组，并重新绘制 */
void left_down ( int x1, int y1 )
{
GLfloat P[2];
GLuint point_cnt;

/* 将GLUT窗口坐标变换为GL坐标：前者（0，0）在左上角而后者在左下角*/
P[0] = x1; P[1] = height - y1;

/* 更新顶点数据 */
point_cnt = contours [ contour_cnt ] . point_cnt;
contours [ contour_cnt ] . p [ point_cnt ][ 0 ] = P [ 0 ];
contours [ contour_cnt ]. p [ point_cnt ] [ 1 ] = P [ 1 ];

/* 绘制新添加的边，若为第一个点，则绘制一个点 */
glBegin ( GL_LINES );
if ( point_cnt ) {
glVertex2fv ( contours[contour_cnt].p[point_cnt-1] );
glVertex2fv ( P );
}
else {
glVertex2fv ( P );
glVertex2fv ( P );
}
glEnd();
glFinish();
contours[contour_cnt].point_cnt++;
}

/* 点击鼠标中键的响应事件，有些系统可以用同时点击左右键模拟：结束一个多边形 */
void middle_down( int x1, int y1 )
{
GLuint point_cnt;
(void) x1;
(void) y1;
point_cnt = contours[contour_cnt].point_cnt;
/* 连接起始点和最后一个点，构成一个完整的多边形 */
if ( point_cnt > 2 )
{
glBegin( GL_LINES );
glVertex2fv( contours[contour_cnt].p[0] );
glVertex2fv( contours[contour_cnt].p[point_cnt-1] );
contours[contour_cnt].p[point_cnt][0] = -1;
glEnd();
glFinish();
contour_cnt++;
contours[contour_cnt].point_cnt = 0;
}
}

/* 处理鼠标响应的函数，根据按键的类型调用不同的函数：左键和中键。 */
void mouse_clicked( int button, int state, int x, int y )
{
/* 将OpenGL的像素坐标换为背景的网格坐标，背景网格为边长为10的小正方形 */
x -= x%10;
y -= y%10;
switch ( button ) {
case GLUT_LEFT_BUTTON: /* GLUT发现左键被点击 */
if ( state == GLUT_DOWN ) {
left_down( x, y );
}
break;
case GLUT_MIDDLE_BUTTON: /* 中键被点击 */
if ( state == GLUT_DOWN ) {
middle_down( x, y );
}
break;
}
}
/* OpenGL绘制函数，有两种模式 */
void display( void )
{
GLuint i,j;
GLuint point_cnt;

glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT );
switch ( mode )
{
case DEFINE: /* 多边形定义阶段 */
/* 绘制网格，单个网格大小为10像素，网格数目取决于OpenGL窗口大小 */
glColor3f ( 0.6, 0.5, 0.5 );
glBegin ( GL_LINES );
for ( i = 0 ; i < width ; i += 10 ){
for ( j = 0 ; j < height ; j += 10 ) {
glVertex2i ( 0, j );
glVertex2i ( width, j );
glVertex2i ( i, height );
glVertex2i ( i, 0 );
}
}
/* 绘制多边形 */
glColor3f( 1.0, 1.0, 0.0 );
for ( i = 0 ; i <= contour_cnt ; i++ ) {
point_cnt = contours.point_cnt;
glBegin( GL_LINES );
switch ( point_cnt ) {
case 0:
break;
case 1:
glVertex2fv ( contours.p[0] );
glVertex2fv ( contours.p[0] );
break;
case 2:
glVertex2fv( contours.p[0] );
glVertex2fv( contours.p[1] );
break;
default:
--point_cnt;
for ( j = 0 ; j < point_cnt ; j++ ) {
glVertex2fv ( contours [ i ]. p [ j ] );
glVertex2fv ( contours [ i ] .p [ j+1 ] );
}
if ( contours [ i ].p [ j+1 ] [ 0 ] == -1 )
{
glVertex2fv ( contours [ i ]. p [ 0 ] );
glVertex2fv ( contours [ i ] .p [ j ] );
}
break;
}
glEnd();
}
glFinish();
break;