3D 開發的一般思路
轉自：http://www.linuxgraphics.cn/graphics/opengl_dev_summary.html3D 開發主要分爲三個步驟：建模、渲染、邏輯控制。
建模，指通過一些基本圖元如點、線、三角形、多邊形將物體畫出來，一般使用 3DMax、MilkShape 等建模工具來完成。具體來說，建模涉及模型的構建、貼紋 理、製作動畫等。
渲染，即使用 OpenGL 圖形接口將模型在計算機上畫出來。
邏輯控制，若要模型動起來，需要根據時間計算模型各個頂點的座標，這個通過 程序邏輯來控制。
在 3D 開發中有一個常用的速度指標，即幀每秒(f/s),其計算方法如下：
fps = numFrame / Interval
- numFrame 是當前的 frame 總和，從程序運行起，每運行一個 frame 這個就加1；
- Interval 指從程序運行起的時間總和。
建模
用 3dMax 等工具建模的一般思路是：
- 用基本形狀，如三角形、多邊形、曲面、球體、立方體等，把物體輪廓構件出來
- 通過拉伸、調整頂點等方法對細節進行處理
建模工具有很多，如 3DMax、Maya、Blender、MilkShape、AC3D 等，其中 MilkShape 短小精悍，容易上手比較推薦新手使用。
Milkshape ：建模、貼紋理、加骨骼、做動畫
- mode： 做模型
- group： 構成模型的各個子部分
- material：往各個子部分上貼材質
- joint：骨骼結點，現在還沒想清楚這些 joint 的作用是什麼
- animation：設置關鍵禎，生成動畫
- 生成的模型格式是 .ms3d
Milkshape 的教程可在這裏下載。
保存模型有很多種格式，如 md2、ms3d、3ds、obj等。
- md2 速度快，但數據量大，典型的以空間換時間; ms3d 保存的數據量小，但需要的計算比較多
- md2 的動畫可能不如 ms3d 細膩
OpenGL based Graphics
It's a state machine - Setup the stage, lighting, actors... Then draw it!
使用 OpenGL 進行渲染的總體思路
- clear the screen：glClear (XXX | XXX)
- Reset the view：glLoadIdentity
- move / rotate axis：glTranslatef (x, y, z), glRotatef ()
- draw scene： glBegin, ..., glEnd
- glDrawArray/glDrawElements 完成點、線、多邊形等基本圖元的繪製
貼紋理
生成紋理
OpenGL 中的紋理通過一個唯一號引用，通過函數 glBindTexture() 實現。你 可以自己指定這個唯一號，或者通過調用 glGenTextures () 函數生成一個唯一 號。
GLuint texture[1]; glGenTextures(1, &texture[0]); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, sizeX, sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, pData); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR); 此時 pdata 裏的數據就可以釋放了
紋理管理器
在實際開發時，往往需要一個紋理管理器提供紋理的裝載、釋放、獲取等功能， 下面的文章介紹了一個紋理管理器的設計和實現。
A Singleton Texture Manager for OpenGL
如何貼紋理
以上圖片來自：http://blogs.msdn.com/danlehen/
核心繪製代碼如下所示：
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, m_vertices); glNormalPointer(GL_FLOAT, 0, m_normals); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_textureId); glTexCoordPointer(2, GL_FLOAT, 0, m_uvs); glDrawElements(GL_TRIANGLES, m_triangleNums * 3, GL_UNSIGNED_SHORT,m_indices); 或者 glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, m_triangleNums * 3);
在嵌入式設備上的用 OpenGL ES 貼紋理，以 Androiod 爲例
在 android 平臺上，紋理圖的長寬必須是 2 的冪，紋理圖尺寸超過 512x512 時 fps 會顯著降低。一般的做法是將所有紋理組合到成一張 256x256 或者 512x512 的大圖。
使用紋理有兩種方法，一是直接用建模工具映射好，二是通過動態調整紋理座標 來獲取需要的紋理。前者不做介紹，重點介紹下後者。
調整紋理座標的方法有兩種：一是手工修改現有紋理代碼，二是通過 glMatrixMode (glTexture) 對紋理座標進行操作。
glMatrixMode (glTexture) 調整紋理座標的代碼如下：
// move texture
glMatrixMode(GL_TEXTURE);
glPushMatrix();
glLoadIdentity();
// move the texture - this does not work
glTranslatef(offset, 0.0f, 0.0f);
glTranslatef(0.0f, offset, 0.0f);
glTranslatef(0.0f, 0.0f, offset);
glPopMatrix();
注意：
- 紋理座標的偏移值範圍爲：-1~1
- 紋理座標的原點在紋理圖的左下角，若沿 Y 軸向下偏移，偏移量爲負
- glMatrixMode (GL_TEXTURE)往往與 glMatrixMode (GL_MODELVIEW)混用，注意保存好現場。
gluPerspective 和 gluLookAt 1
函數原型如下所示：
gluLookAt(GLdoble eyex,GLdouble eyey,GLdouble eyez,
GLdouble centerx,GLdouble centery,GLdouble centerz,
GLdouble upx,GLdouble upy,GLdouble upz);
gluPerspective(GLdouble fovy,GLdouble aspect,GLdouble zNear,GLdouble zFar);
gluPerspective
首先得設置 gluPerspective,來看看它的參數都表示什麼意思:
- fovy,可以理解成眼睛睜開的角度,即,視角的大小,如果設置爲0,相當你閉上眼睛了,所以什麼也看不到,如果爲180,那麼可以認爲你的視界很廣闊；
- aspect,實際窗口的縱橫比,即x/y；
- zNear,表示你近處的裁面；
- zFar，表示遠處的裁面。
我們知道,遠處的東西看起來要小一些,近處的東西看起來會大一些,這就是透視 (perspective)原理，如下圖所示：
假設那兩條線表示公路，理論上講，它們的兩條邊是平行的，但現實情況中，它 們在遠方(可以無限遠)總要相交於一點，實際線段 AB 的長度等於 CD 的長度， 只是在此例中使用了透視角，故會有如上的效果，是不是很接近現實的情況?
結合我們剛纔這兩個函數：
- zNear，眼睛距離近處的距離,假設爲10米遠,請不要設置爲負值,OpenGl 就傻了,不知道怎麼算了；
- zFar，表示遠處的裁面,假設爲1000米遠;
就是這兩個參數的意義了。
再解釋下那個"眼睛睜開的角度"是什麼意思，首先假設我們現在距離物體有50個 單位距離遠的位置，在眼睛睜開角度設置爲 45 時,請看大屏幕:
我們可以看到，在遠處一個球；現在我們將眼睛再張開點看，將“眼睛睜開的角 度”設置爲 178 (180度表示平角,那時候我們將什麼也看不到,眼睛睜太大了,眼 大無神)。
我們只看到一個點，因爲我們看的範圍太大了，這個球本身大小沒有改變，但是 它在我們的“視界”內太小了。
反之，我們將眼睛閉小些,改爲 1 度看看會出現什麼情況呢?
在我們距離該物體 3000 距離遠，“眼睛睜開的角度”爲 1 時，我們似乎走進了 這個球內，這個是不是類似於相機的焦距？
當我們將“透視角”設置爲 0 時，我們相當於閉上雙眼，這個世界清靜了，我們 什麼也看不到了。
gluLookAt
現在來看 gluLookAt 函數。
它共接受三對座標，分別爲 eye，center，up。
- eye， 表示我們眼睛在“世界座標系”中的位置；
- center， 表示眼睛“看”的那個點的座標；
- up，表示觀察者本身的方向。
如果將觀察點比喻成我們的眼睛,那麼這個 up 則表示我們是正立還是倒立。從 不同角度看，所看的影像大不相同。若需要指明我們現在正立，那麼 X，Z 軸爲 0，Y 軸爲正即可，通常將其設置爲 1，只要表示一個向上的向量(方向)即可。 我們指定 0.1f 或 0.00001f 或 1000.0f，效果是一樣的，只要能表示方向即可。
球是畫在世界座標系的原點上的，即 O(0,0,0) 座標上，我們的眼睛位於觀察點 A(0,0,100)，Z 軸向屏幕裏看去的方向爲負，屏幕外我們的位置，Z 軸爲正值， 其實很好理解，即我們距離原點的距離，設置 100，將觀察到如下圖所示的影像。
如果我們向前或向後移動，則相應的圖像會變大或變小，這裏其實就是運用了透 視原理，近處的物體大，遠處的物體小，實際物體的大小是不變的。
同理改變 center 座標(眼睛看去的那個點,可簡單理解爲視線的終點)也會影響 球的大小,同樣可以認爲是改變了物體與觀察點的距離所致。
測試
以上理解了之後,來做一個測試。
透視圖不變，最遠處仍爲 3000，近處爲 0.1。
gluPerspective // 設置透視圖
(45, // 透視角設置爲 45 度,在Y方向上以角度爲單位的視野
(GLfloat)x/(GLfloat)y, // 窗口的寬與高比
0.1f, // 視野透視深度:近點1.0f
3000.0f // 視野透視深度:始點0.1f遠點1000.0f
);
將我們的觀察點置於 A(0,10,0)，將觀察位置(視線終點)座標置於(0,0,0)，然 後在原點開始繪圖,畫一個 V 字形,並將 Z 軸的值從 -1000 遞增加到 +1000， 增量爲10，代碼如下：
glColor3f(0.5f, 0.7f, 1.0f);
glBegin(GL_LINES);
for(int i=-1000;i<=1000;i+=10)
{
glVertex3f(0,0,i);
glVertex3f(10,10,i);
glVertex3f(0,0,i);
glVertex3f(-10,10,i);
}
glEnd();
效果圖如下所示：
OpenGL 的座標系統變換
OpenGL 的重要功能之一是將三維的世界座標經過變換、投影等計算，最終算出它在顯示設備上對應的位置。
每次計算屏幕輸出時，OpenGL 採取這樣的方式進行：
屏幕座標點 = 3D 模型點 * 幾何變換棧矩陣(n...1) * 投影變換棧矩陣 (n...1)。其中 n...1 表示從棧頂到棧底。
更復雜的流程是：
屏幕座標點 = 3D 模型座標 -〉 （幾何變換矩陣） -〉 人眼座標 -〉（投影變換矩陣） -〉 正則設備座標（相對於 OpenGL 屏幕座標原點）
-〉 校正成窗口座標（相對於窗口座標）
簡單的講，OpenGL 中從三維場景到屏幕圖形要經歷如下所示的變換過程：
模型座標-〉世界座標-〉觀察座標-〉投影座標-〉設備座標
其中四種座標經常要在程序中用到：物體座標（也叫模型座標、局部座標），世界座標，眼座標（也叫觀察座標)和設備座標.
物體座標：
以物體某一點爲原點而建立的“世界座標”，該座標系僅對該物體適用，用來簡化對物體各部分座標的描述。物體放到場景中時，各部分經歷的座標變換相同，相對位置不變，所以可視爲一個整體，與人類的思維習慣一致；
世界座標：
是OpenGL中用來描述場景的座標，Z+軸垂直屏幕向外，X+從左到右，Y+軸從下到上，是右手笛卡爾座標系統。我們用這個座標系來描述物體及光 源的位置。 OpenGL 中有一個座標轉換矩陣棧 (Modeview)，棧頂就是當前座標變換矩陣，進入 OpenGL 管道的每個座標 (齊次座標)都會乘上這個矩陣，結果纔是對應點在場景中的世界座標。將物體放到場景中也就是將物體平移到特定位置、旋轉一定角度，這些操作都是座標變換。
眼座標：
是以視點爲原點，以視線的方向爲Z+軸正方向的座標系中的方向。OpenGL管道會將世界座標先變換到眼座標，然後進行裁剪，只有在視線範圍(視見 體)之內的場景纔會進入下一階段的計算。 OpenGL 有個投影變換矩陣棧 (Projection)，棧頂矩陣就是當前投影變換矩陣，負責將場景各座標變換到眼座標。由於所得到的結果是裁剪後的場景部分，稱爲裁剪座標。
設備座標：
OpenGL的重要功能之一就是將三維的世界座標經過變換、投影等計算，最終算出它在顯示設備上對應的位置，這個位置就稱爲設備座標。在屏幕、打印機等設備上的座標是二維座標。
幾何變換：平移、旋轉、縮放
- glTranslatef (x, y, z)
- glRotatef (alpha, x, y, z);
- glScalef (x, y, z);
幾何變換棧：爲了維護幾何變換， OpenGL 維護一個幾何變換棧，每次幾何變換， 都用相應的矩陣乘對應的棧頂元素，並替換掉上次的棧頂。
對於幾何變換棧，有兩個操作可以使用：
- glPushMatrix()： 保存當前座標系 ，複製當前棧頂，並把複製的內容再次放到棧頂，能夠保護棧上以前的內容；
- glPopMatrix()： 恢復當前座標系。
投影變換 ： 正交投影 (正射投影、平行投影)，透視投影
- 正交投影：將 3D 模型平行的映射到平面上，glOrtho(xleft, xright, ybottom, ytop, znear, zfar);
- 透視投影：將 3D 模型映射到相對某個觀察點的平面上， gluPerspective(fovy, aspect, znear, zfar);
深入探討透視投影變換：http://www.cppblog.com/zmj/archive/2008/08/28/58936.html
glOrtho 函數的意義： http://flyingliang.spaces.live.com/blog/cns!9112491EC93C817B!1228.entry
正交投影的特點：
無論物體距離相機多遠，投影后的物體大小尺寸不變。這種投影通常用在建築藍圖繪製和計算機輔助設計等方面，這些行業要求投影后的物體尺寸及相互間的角度不變，以便施工或製造時物體比例大小正確。
透視投影的特點：離觀察者越遠的對象越小。
切換當前棧
- 切換當前操作的棧爲投影變換棧：glMatrixMode(GL_PROJECTION);
- 切換當前操作的棧爲幾何變換棧：glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
- 清除當前操作棧的內容：glLoadIdentity();
變化觀察模型的角度，可以在切換到幾何變換棧的時候進行：
- glMatrixMode(GL_MODELVIEW); // 模型視圖矩陣
- glLoadIdentity();
- gluLookAt(6.0, 8.0, 10.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0); // 旋轉視點
一段典型的 OpenGL 代碼
// Init *
glClearColor (0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); /* Set background color*/
glClearDepth (1.0);
glShadeModel (GL_SMOOTH);
glMatrixMode (GL_PROJECTION); /* 設置投影變換 */
glLoadIdentity ();
gluPerspective (......);
glMatrixMode (GL_MODEVIEW);
//* 清屏 *
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glLoadIdentity ();
glTranslatef (x, y, z); /* 平移 */
glRotatef (angle, x, y, z); /* 旋轉 */
glBegin (GL_POLYGON);
glColor3f (...);
glVertex3f (...);
... ...
glEnd ();
/* ReSizeScene */
glViewport (0, 0, width, height);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(... ...);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
How to walk around and explore the world
- move camera around and draw the 3D environment relative to the camera positon. But it is slow and hard to code.
-
Rotate / translate the world in the opposite manner.
- Rotate and translate the camera position according to user commands
- Rotate the world around the origin in the opposite direction of the camera rotation (giving the illusion that the camera has been rotated)
- Translate the world in the opposite manner that the camera has been translated (again, giving the illusion that the camera has moved)