OpenGL 绘图实例十之绘制 3D 机器人

综述

通过上一节说的绘制 3D 图形基础，我们应该对绘制 3D 图形有了基本的认识，接下来我们就进行一个实例，绘制一个 3D 机器人。 本节我们要完成的任务有：

1. 绘制一个仿真 3D 机器人 (样式自选，参考例图)，至少包含头、躯干、四肢三个部分. 2. 对机器人填充颜色。 3. 增加点光源，使得机器人更加真实。 4. 实现交互，使得能够控制机器人进行旋转、前进、后退等动作。 键盘”w”: 前进 键盘”s”: 后退 键盘”a”: 顺时针旋转 键盘”d”: 逆时针旋转

接下来我们就一步步实现机器人的绘制吧。

绘制球体

绘制球体我们有两种方法，一个叫 glutSolidSphere，另一个叫 glutWireSphere，这两个的区别在于，一个绘制的是实心的球体，另一个绘制的是现状描绘而成的球体，在绘制过程中，我们可以通过一个参数来对其进行控制。 glutSolidSphere 是 GLUT 工具包中的一个函数，该函数用于渲染一个球体。球体球心位于原点。在 OpenGL 中默认的原点就是窗口客户区的中心。 函数原型

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void glutSolidSphere(GLdouble radius , GLint slices , GLint stacks);

void glutWireSphere(GLdouble radius, GLint slices, GLint stacks );

radius，球体的半径 slices，以 Z 轴上线段为直径分布的圆周线的条数（将 Z 轴看成地球的地轴，类似于经线） stacks，围绕在 Z 轴周围的线的条数（类似于地球上纬线） 一般而言， 后两个参数赋予较大的值， 渲染花费的时间要长， 效果更逼真。 然而我们可以发现，这里并没有定义球中心的参数，所以，我们可以利用平移函数组合实现。即利用 glTranslated 函数来实现。最后，我们定义的画球体的方法如下

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//画球

void drawBall(double R, double x, double y,double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glTranslated(x,y,z);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidSphere(R,20,20);

} else if (MODE ==WIRE) {

glutWireSphere(R,20,20);

}

glPopMatrix();

}

其中两个常量定义如下

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#define SOLID 1

#define WIRE 2

在这里我们还用到了上一节所说的 PushMatrix 和 PopMatrix 方法。如果不熟悉，请查看上一节的内容。

绘制长方体

同样地，利用变换平移放缩的方法，再加上类库的绘制正方体的方法，我们也可以轻松地实现绘制长方体的方法。 正方体怎样变成长方体，很简单，拉伸一下就好了。所以，我们用到了 glScaled 方法。 绘制长方体的方法如下

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//画长方体

void drawSkewed(double l, double w, double h, double x, double y, double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glScaled(l, w, h);

glTranslated(x, y, z);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidCube(1);

} else if (MODE == WIRE) {

glutWireCube(1);

}

glPopMatrix();

}

这里仍然还是定义了绘图模式，是线条还是实体。

定义光照

在这里提供一篇博文，讲光照讲得比较细致 OPENGL 光照 那么在这里我就直接贴上光照设置的实现

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void init() {

//定义光源的颜色和位置

GLfloat ambient[] = { 0.5, 0.8, 0.1, 0.1 };

GLfloat diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat position[] = { -80.0, 50.0, 25.0, 1.0 };

//选择光照模型

GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.4, 0.4, 0.4, 1.0 };

GLfloat local_view[] = { 0.0 };

glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

glShadeModel(GL_SMOOTH);

//设置环境光

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient);

//设置漫射光

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuse);

//设置光源位置

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);

//启动光照

glEnable(GL_LIGHTING);

//启用光源

glEnable(GL_LIGHT0);

}

其中设置了光源颜色，位置等参数。

图形的移动

在这里我们实现了鼠标的监听旋转和键盘的监听旋转，在这里分别描述如下

1. 鼠标监听

对于鼠标监听事件，在前面的文章中已经做了说明，如果大家不熟悉可以看下面这篇文章 鼠标监听 我们要实现的就是在拖动鼠标的时候实现图形的旋转功能。 在点击鼠标时，我们记录下来点击的位置，然后在鼠标移动的时候记录下当前坐标与上一个位置的坐标之差。通过定义一个角度的变量，每次鼠标移动的时候让整个图形旋转角度加上这个差值，然后重新绘制图形，就可以实现整个图形的 旋转了。 鼠标监听的两个方法如下，分别是鼠标点击和鼠标移动。 定义两个变量，旋转角度

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int spinX = 0;

int spinY = 0;

然后定义两个鼠标事件

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// 鼠标移动事件

void mouseMove(int x, int y) {

int dx = x - moveX;

int dy = y - moveY;

printf("dx;%dx,dy:%dy\n",dx,dy);

spinX += dx;

spinY += dy;

glutPostRedisplay();

moveX = x;

moveY = y;

}

//鼠标点击事件

void mouseClick(int btn, int state, int x, int y) {

moveX = x;

moveY = y;

}

恩，通过定义上面的方法，然后在 main 中加入监听。

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//鼠标点击事件，鼠标点击或者松开时调用

glutMouseFunc(mouseClick);

//鼠标移动事件，鼠标按下并移动时调用

glutMotionFunc(mouseMove);

display 函数中，在绘图前调用该方法即可

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glRotated(spinX, 0, 1, 0);

glRotated(spinY, 1, 0, 0);

分别是绕 y 轴和 x 轴旋转一定的角度。这样就可以实现鼠标的监听了。

2. 键盘监听

键盘事件也很简单，同样是监听按键的按下。其中 w、s 键是用来控制机器人的远近的。 定义一个变量叫 dis，代表远近 键盘事件函数如下：

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//键盘事件

void keyPressed(unsigned char key, int x, int y) {

switch (key) {

case 'a':

spinX -= 2;

break;

case 'd':

spinX += 2;

break;

case 'w':

des += 2;

break;

case 's':

des -= 2;

break;

}

glutPostRedisplay();

}

在 main 函数中加入监听

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//键盘事件

glutKeyboardFunc(keyPressed);

display 函数中加入如下的变换

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glRotated(spinX, 0, 1, 0);

glRotated(spinY, 1, 0, 0);

glTranslated(0, 0, des);

这样通过上述方法，我们便可以实现鼠标和键盘的监听了。

裁切物体

在这里我们可能要画一个半圆，那么最方便的方法就是裁切了，利用下面的函数，我们可以方便地实现。

void glClipPlane(GLenum plane, const GLdouble *equation);

定义一个裁剪平面。equation 参数指向平面方程 Ax + By + Cz + D = 0 的 4 个系数。 equation=（0，-1，0,0），前三个参数（0，-1,0）可以理解为法线向下，只有向下的，即 Y<0 的才能显示，最后一个参数 0 表示从 z=0 平面开始。这样就是裁剪掉上半平面。 equation=（0,1,0,0）表示裁剪掉下半平面， equation=（1,0,0,0）表示裁剪掉左半平面， equation=（-1,0,0,0）表示裁剪掉右半平面， equation=（0,0,-1,0）表示裁剪掉前半平面， equation=（0,0,1,0）表示裁剪掉后半平面 代码示例如下

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GLdouble eqn[4]={0.0,0.0,-1.0,0.0};

glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0,eqn);

glEnable(GL_CLIP_PLANE0);

glutSolidSphere(headR,slices,slices);

glDisable(GL_CLIP_PLANE0);

首先我们必须要定义一个 GLdouble 数组，然后利用 glClipPlane 方法来设置，然后开启裁切，最后关闭裁切。 利用类似的方法我们可以写出绘制半球的方法如下

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//画半球

void drawHalfBall(double R, double x, double y,double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glTranslated(x,y,z);

GLdouble eqn[4]={0.0, 1.0, 0.0, 0.0};

glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0,eqn);

glEnable(GL_CLIP_PLANE0);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidSphere(R,20,20);

} else if (MODE ==WIRE) {

glutWireSphere(R,20,20);

}

glDisable(GL_CLIP_PLANE0);

glPopMatrix();

}

恩，通过上述方法，我们可以方便地绘制出一个半球体。

绘制机器人

有了上述的铺垫，我们绘制机器人简直易如反掌，同样还可以实现各式各样的监听。 主要就是位置的确定了。 display 函数如下

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void display(void) {

//清除缓冲区颜色

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

//定义白色

glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);

//圆点放坐标中心

glLoadIdentity();

//从哪个地方看

gluLookAt(-2.0, -1.0, 20.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

glPushMatrix();

glRotated(spinX, 0, 1, 0);

glRotated(spinY, 1, 0, 0);

glTranslated(0, 0, des);

//头

drawBall(2, 0, 1, 0, SOLID);

//身体

drawSkewed(5, 4.4, 4, 0, -0.75, 0, SOLID);

//肩膀

drawHalfBall(1, 3.5, -2.1, 0, SOLID);

drawHalfBall(1, -3.5, -2.1, 0, SOLID);

//胳膊

drawSkewed(1, 3, 1, 3.5, -1.3, 0, SOLID);

drawSkewed(1, 3, 1, -3.5, -1.3, 0, SOLID);

//手

drawBall(1, 3.5, -6.4, 0, SOLID);

drawBall(1, -3.5, -6.4, 0, SOLID);

//腿

drawSkewed(1.2, 3, 2, 1, -2.4, 0, SOLID);

drawSkewed(1.2, 3, 2, -1, -2.4, 0, SOLID);

//脚

drawSkewed(1.5, 1, 3, 0.9, -9.2, 0, SOLID);

drawSkewed(1.5, 1, 3, -0.9, -9.2, 0, SOLID);

glPopMatrix();

glutSwapBuffers();

}

恩，通过调用这个函数我们便可以完成机器人的绘制了。

完整代码

在这里提供完整代码示例，仅供参考

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#include

#include

#include

#define SOLID 1

#define WIRE 2

int moveX,moveY;

int spinX = 0;

int spinY = 0;

int des = 0;

void init() {

//定义光源的颜色和位置

GLfloat ambient[] = { 0.5, 0.8, 0.1, 0.1 };

GLfloat diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat position[] = { -80.0, 50.0, 25.0, 1.0 };

//选择光照模型

GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.4, 0.4, 0.4, 1.0 };

GLfloat local_view[] = { 0.0 };

glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

glShadeModel(GL_SMOOTH);

//设置环境光

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient);

//设置漫射光

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuse);

//设置光源位置

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);

//启动光照

glEnable(GL_LIGHTING);

//启用光源

glEnable(GL_LIGHT0);

}

//画球

void drawBall(double R, double x, double y,double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glTranslated(x,y,z);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidSphere(R,20,20);

} else if (MODE ==WIRE) {

glutWireSphere(R,20,20);

}

glPopMatrix();

}

//画半球

void drawHalfBall(double R, double x, double y,double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glTranslated(x,y,z);

GLdouble eqn[4]={0.0, 1.0, 0.0, 0.0};

glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0,eqn);

glEnable(GL_CLIP_PLANE0);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidSphere(R,20,20);

} else if (MODE ==WIRE) {

glutWireSphere(R,20,20);

}

glDisable(GL_CLIP_PLANE0);

glPopMatrix();

}

//画长方体

void drawSkewed(double l, double w, double h, double x, double y, double z, int MODE) {

glPushMatrix();

glScaled(l, w, h);

glTranslated(x, y, z);

if (MODE == SOLID) {

glutSolidCube(1);

} else if (MODE ==WIRE) {

glutWireCube(1);

}

glPopMatrix();

}

void display(void) {

//清除缓冲区颜色

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

//定义白色

glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);

//圆点放坐标中心

glLoadIdentity();

//从哪个地方看

gluLookAt(-2.0, -1.0, 20.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

glPushMatrix();

glRotated(spinX, 0, 1, 0);

glRotated(spinY, 1, 0, 0);

glTranslated(0, 0, des);

//头

drawBall(2, 0, 1, 0, SOLID);

//身体

drawSkewed(5, 4.4, 4, 0, -0.75, 0, SOLID);

//肩膀

drawHalfBall(1, 3.5, -2.1, 0, SOLID);

drawHalfBall(1, -3.5, -2.1, 0, SOLID);

//胳膊

drawSkewed(1, 3, 1, 3.5, -1.3, 0, SOLID);

drawSkewed(1, 3, 1, -3.5, -1.3, 0, SOLID);

//手

drawBall(1, 3.5, -6.4, 0, SOLID);

drawBall(1, -3.5, -6.4, 0, SOLID);

//腿

drawSkewed(1.2, 3, 2, 1, -2.4, 0, SOLID);

drawSkewed(1.2, 3, 2, -1, -2.4, 0, SOLID);

//脚

drawSkewed(1.5, 1, 3, 0.9, -9.2, 0, SOLID);

drawSkewed(1.5, 1, 3, -0.9, -9.2, 0, SOLID);

glPopMatrix();

glutSwapBuffers();

}

//鼠标点击事件

void mouseClick(int btn, int state, int x, int y) {

moveX = x;

moveY = y;

GLfloat ambient[] = { (float)rand() / RAND_MAX, (float)rand() / RAND_MAX, (float)rand() / RAND_MAX, 0.1 };

//设置环境光

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient);

//启用光源

glEnable(GL_LIGHT0);

}

//键盘事件

void keyPressed(unsigned char key, int x, int y) {

switch (key) {

case 'a':

spinX -= 2;

break;

case 'd':

spinX += 2;

break;

case 'w':

des += 2;

break;

case 's':

des -= 2;

break;

}

glutPostRedisplay();

}

// 鼠标移动事件

void mouseMove(int x, int y) {

int dx = x - moveX;

int dy = y - moveY;

printf("dx;%dx,dy:%dy\n",dx,dy);

spinX += dx;

spinY += dy;

glutPostRedisplay();

moveX = x;

moveY = y;

}

void reshape(int w, int h) {

//定义视口大小

glViewport(0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);

//投影显示

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

//坐标原点在屏幕中心

glLoadIdentity();

//操作模型视景

gluPerspective(60.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

}

int main(int argc, char** argv) {

//初始化

glutInit(&argc, argv);

//设置显示模式

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);

//初始化窗口大小

glutInitWindowSize(500, 500);

//定义左上角窗口位置

glutInitWindowPosition(100, 100);

//创建窗口

glutCreateWindow(argv[0]);

//初始化

init();

//显示函数

glutDisplayFunc(display);

//窗口大小改变时的响应

glutReshapeFunc(reshape);

//鼠标点击事件，鼠标点击或者松开时调用

glutMouseFunc(mouseClick);

//鼠标移动事件，鼠标按下并移动时调用

glutMotionFunc(mouseMove);

//键盘事件

glutKeyboardFunc(keyPressed);

//循环

glutMainLoop();

return 0;

}

仅供参考，如有问题，敬请指正。 运行结果如下 恩，大体就是这样。

总结

本次实验做的比较匆忙，只研究了一个晚上的时间，所以有些地方还是不太完善，希望发出来对小伙伴们有所启发，有所帮助。如果有问题，欢迎同我交流。谢大家！

OpenGL 机器人

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