OpenGL/GLUT实践：实现反弹运动的三角形动画与键盘控制（电子科技大学信软图形与动画Ⅱ实验）

源码见GitHub：A-UESTCer-s-Code

1 运行效果

我们运行程序，得到一个运动的等腰三角形，当其触碰到边框时会反弹，并且可以通过键盘上的F1、F2、F3来控制颜色，wasd来控制速度。

2 实验过程

2.1 环境配置

OpenGL作为图形显示库，在图形建模、游戏开发和科学可视化等领域有着广泛的应用，而GLUT作为其补充库则提供了方便的窗口管理和用户交互功能，简化了OpenGL程序的开发过程。

步骤：

1. 下载Glut的依赖库：

   • 访问OpenGL官网或直接从https://www.opengl.org/resources/libraries/glut/glut_downloads.php#windows下载Glut
   • 解压下载文件，得到glut.dll、glut32.dll、glut.lib、glut32.lib、glut.h等5个文件

2. 配置OpenGL环境：

   • 将glut.h文件复制到 Visual Studio 安装目录下的 include 文件夹内的一个新建名为 GL 的子文件夹中

     

   • 将glut32.lib文件复制到 Visual Studio 安装目录下的lib文件夹中的x86文件夹内

     

   • 将glut.lib文件复制到 Visual Studio 安装目录下的lib文件夹中的x64文件夹内

     

   • 将glut.dll和glut32.dll文件复制到系统文件夹 C:\Windows\SysWOW64 中

     

3. 创建OpenGL项目：

   • 在Microsoft Visual Studio中创建一个控制台应用程序项目

   • 添加源文件（如main.cpp）到项目中

   • 在源文件中引入OpenGL和GLUT库：#include <GL/glut.h>

4. 编写测试程序：

   • 编写一个简单的OpenGL程序，例如，绘制一个正方形
   • 使用OpenGL提供的函数进行图形绘制
   • 设置窗口的显示模式、大小、位置等参数
   • 编译并运行程序，检查环境配置是否成功

   运行结果：

   

2.2 绘制三角形

具体步骤：

2.2.1 渲染函数

void renderScene() {glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); // 清除颜色缓冲区// 绘制三角形glBegin(GL_TRIANGLES);glColor3f(181./225, 206./225, 163./255); // 设置颜色为指定的RGB值glVertex2f(-0.88, -0.5); // 左下角glVertex2f(0.64, -0.5); // 右下角glVertex2f(0.43, 0.7); // 顶点glEnd();glFlush(); // 刷新绘图命令
}

作用：renderScene() 函数是一个回调函数，在窗口需要被绘制时被调用，用于绘制图形。

细节讲解：

• glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);：清除颜色缓冲区，确保每次绘制前都有一个干净的画布

• glBegin(GL_TRIANGLES); 和 glEnd();：开始和结束绘制三角形的过程

• glColor3f(181./225, 206./225, 163./255);：设置绘制图形的颜色为指定的RGB值。需要注意的是，这里的颜色值是使用范围在0到1之间的小数来表示的，所以将RGB值除以255来进行归一化处理

• glVertex2f()：指定三角形的顶点坐标，这里使用的是二维坐标

  坐标是以窗口为中心，$x$ 和 $y$ 轴范围从-1到1，三角形只需要设置三个顶点即可：

  glVertex2f(-0.88, -0.5); // 左下角
  glVertex2f(0.64, -0.5); // 右下角
  glVertex2f(0.43, 0.7); // 顶点
  

  

2.2.2 主函数

int main(int argc, char** argv) {glutInit(&argc, argv); // 初始化GLUT库glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); // 设置显示模式为单缓冲和RGB颜色模式glutInitWindowSize(400, 400); // 设置窗口大小glutInitWindowPosition(100, 100); // 设置窗口位置glutCreateWindow("Simple Triangle Test"); // 创建窗口，并设置标题glutDisplayFunc(renderScene); // 设置绘图函数glutMainLoop(); // 进入主循环，等待事件return 0;
}

作用： main() 函数是程序的入口，主要负责初始化OpenGL环境和GLUT库，并进入主循环等待事件。

细节讲解：

• glutInit(&argc, argv);：初始化GLUT库，接受程序启动时的命令行参数
• glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);：设置显示模式为单缓冲和RGB颜色模式，这意味着窗口使用单缓冲区，并且颜色采用RGB模式
• glutInitWindowSize(400, 400);：设置窗口的大小为400x400像素
• glutInitWindowPosition(100, 100);：设置窗口的位置为屏幕左上角起始点向右下移动100像素的位置
• glutCreateWindow("Simple Triangle Test");：创建窗口，并设置窗口标题为 “Simple Triangle Test”
• glutDisplayFunc(renderScene);：注册回调函数 renderScene()，当窗口需要被重绘时会调用该函数进行绘制
• glutMainLoop();：进入主循环，等待事件的发生，例如窗口的关闭、键盘输入等

2.2.3 运行结果

通过运行得到一个颜色为黄绿色（RGB为181, 206, 163），顶点为(0.43, 0.7)、(0.64, -0.5)、(-0.88, -0.5)的普通三角形

2.3 调整窗口大小

当我们调整窗口时，图像出现了明显的变形，窗口大小改变会影响OpenGL的视口和投影矩阵，而默认情况下OpenGL使用的是透视投影矩阵，因此窗口大小改变会导致图像的变形。为了解决这个问题，我们需要重新计算投影矩阵，并将其与窗口的新大小相匹配。

在OpenGL中，我们可以使用 glutReshapeFunc() 函数来注册一个回调函数，以便在窗口大小改变时进行处理。这个函数的原型如下：

void glutReshapeFunc(void (*func)(int width, int height));

这个函数将一个自定义的函数与窗口大小改变事件绑定，当窗口大小改变时，该函数就会被调用。

接下来，我们需要编写一个自定义的函数来处理窗口大小改变事件。这个函数应该重新计算投影矩阵，并将其与新的窗口大小相匹配。下面是一个示例函数：

void changeSize(int width, int height) {// 避免除以0if (height == 0) height = 1;// 设置视口大小glViewport(0, 0, width, height);// 设置投影矩阵glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluPerspective(45.0f, (GLfloat)width / (GLfloat)height, 0.1f, 100.0f);// 切换回模型观察矩阵glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();
}

方法：

为了处理窗口大小的改变，我们使用了OpenGL提供的glutReshapeFunc()函数来注册一个回调函数，该函数会在窗口大小改变时被调用。在这个回调函数中，我们重新计算投影矩阵，并根据新的窗口大小设置视口和透视投影。

具体而言，我们的处理过程包括以下步骤：

1. 检查窗口的高度是否为0，如果是则将其设置为1，以避免除以0的错误
2. 计算窗口的宽高比，以便在设置透视投影时使用
3. 将当前矩阵模式设置为投影矩阵模式，并重置矩阵
4. 设置OpenGL的视口大小为新的改变后的窗口大小
5. 使用gluPerspective()函数设置透视投影，其中包括视角大小、宽高比、近裁剪面和远裁剪面的距离
6. 将当前矩阵模式设置回模型视图矩阵模式，并重置矩阵
7. 使用gluLookAt()函数设置观察者的视点和方向，以模拟相机在场景中的位置和方向

最后，在 main() 函数中，我们需要将这个自定义的函数与窗口大小改变事件绑定起来，如下所示：

glutReshapeFunc(changeSize);

注意：这个函数要在主循环 glutMainLoop(); 前，否则无法生效（因为程序一直在主循环运行，运行不到这个函数）

通过这样的设置，当我们调整窗口大小时，OpenGL会自动调用 changeSize() 函数来重新计算投影矩阵，从而保证图像的正确显示

执行结果：

2.4 简单动画与按键控制

2.4.1 简单旋转

目的：

本部分旨在实现一个简单的OpenGL动画，让一个三角形在窗口中绕固定轴匀速旋转。

方法：

为了实现动画效果，我们需要做以下几个步骤：

1. 在main()函数中，设置双缓冲区模式(GLUT_DOUBLE)以及RGB颜色模式(GLUT_RGB)，这样可以避免画面闪烁并且产生平滑的动画效果

   双缓冲区通过在后一个缓冲区里绘画，并不停交换前后缓冲区（可见缓冲区），来产生平滑的动画。使用双缓冲区可以预防闪烁。

2. 使用glutSwapBuffers()函数在每一帧绘制完毕后切换前后缓冲区，将后台缓冲区的内容绘制到屏幕上

3. 使用glutTimerFunc()函数设置一个定时器，以一定的时间间隔调用指定的函数，在这个函数中更新动画的状态

4. 在定时器函数中更新三角形的旋转角度，并重新注册定时器，实现连续的动画效果

   • GLfloat angle = 0;：定义了一个全局变量angle，用于表示旋转角度，初始值为0
   • timer()函数：是一个定时器函数，在每次被调用时更新旋转角度，并请求重绘窗口。这里使用了glutPostRedisplay()函数请求重绘，以触发renderScene()函数的执行。同时，通过glutTimerFunc()函数设置了一个16毫秒的定时器，用于每隔一定时间调用一次timer()函数，从而实现连续的动画效果

   定时器函数：

   GLfloat angle = 0; // 设置初始旋转角度
   // 定时器函数，每16ms调用一次，用于旋转三角形
   void timer(int value)
   {angle += 1; // 旋转角度glutPostRedisplay(); // 重绘glutTimerFunc(16, timer, 0); // 设置定时器
   } 
   

5. 在渲染函数renderScene()中，使用更新后的旋转角度绘制旋转的三角形

   renderScene()函数：在这里，首先清除颜色缓冲区，然后将当前矩阵推入堆栈，接着根据当前的旋转角度对场景进行旋转，绘制一个黄绿色的三角形。最后，通过glutSwapBuffers()函数进行双缓冲区的切换，将后台缓冲区的内容显示到屏幕上。

   // 渲染函数，绘制一个单色的三角形
   void renderScene()
   {glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); // 清除颜色缓冲区glPushMatrix();glRotatef(angle, 1.0, 0.0, 0.0); // 绕x旋转// 绘制三角形// ...glPopMatrix(); glutSwapBuffers(); // 设置双缓冲
   }
   

结果：

通过以上步骤，我们可以实现一个简单的OpenGL动画，让一个三角形在窗口中不断旋转。动画效果平滑流畅。

2.4.2 键盘控制

普通按键处理：

使用 glutKeyboardFunc 函数来注册处理普通按键事件的回调函数。

• 普通按键是指字母，数字和其他可以用 ASCII 代码表示的键

• 我们可以在普通按键回调函数中执行相应的操作，例如根据按下的键执行不同的操作，或者响应程序的退出等

  void processNormalKeys(unsigned char key, int x, int y)
  {switch (key){case 27: // ESC键exit(0);break;
  }
  

特殊按键处理：

使用 glutSpecialFunc 函数来注册处理特殊按键事件的回调函数。

• 特殊按键的标识符通常由预定义的常量表示，如 GLUT_KEY_F1、GLUT_KEY_LEFT 等

• 我们可以在特殊按键回调函数中根据按下的特殊键执行相应的操作，例如改变颜色、移动物体等

  记得将颜色值设为全局变量，渲染时，使用全局变量对颜色进行设置

  void processSpecialKeys(int key, int x, int y)
  {switch (key){case GLUT_KEY_F1:red = 181. / 225;green = 206. / 225;blue = 163. / 255;break;case GLUT_KEY_F2:red = 163. / 255;green = 163. / 255;blue = 163. / 255;break;case GLUT_KEY_F3:red = 30. / 255;green = 60. / 255;blue = 153. / 255;break;}
  

最后在main函数里面设置这两个回调函数即可

int main(int argc, char** argv)
{// ...glutSpecialFunc(processSpecialKeys); // 设置特殊键回调函数glutKeyboardFunc(processNormalKeys); // 设置普通键回调函数// ...
}

运行结果：

• 对 processSpecialKeys 函数，根据按下的特殊键设置不同的颜色值。具体地，当按下F1键时，设置颜色为黄绿色；按下F2键时，设置颜色为灰色；按下F3键时，设置颜色为蓝色
• 对 processNormalKeys 函数，增加对ESC键的处理。当按下ESC键时，退出程序

2.5 窗口反弹动画

这一部分，我们要实现可以反弹运动的三角形动画，键盘控制三角形移动速度、颜色。

先引入几个全局变量：

GLfloat x = 0, y = 0, rsize = 50; // 设置初始位置和大小
GLfloat dx = 1.5, dy = 1.5; // 设置初始速度
GLfloat windowWidth, windowHeight; // 窗口大小
GLfloat red = 181. / 225, green = 206. / 225, blue = 163. / 255; // 设置初始颜色为黄绿色

2.5.1 处理窗口大小变化

• 函数调用 glViewport 函数设置新的视口大小

  glViewport(0, 0, w, h); // 设置视口大小
  

• 函数计算新的宽高比，并根据宽高比的大小调整窗口的宽度和高度。如果宽度小于或等于高度，那么窗口的宽度被设置为100，高度则根据宽高比进行调整。否则，窗口的高度被设置为100，宽度则根据宽高比进行调整

  aspectRatio = (GLfloat)w / (GLfloat)h; // 计算窗口的宽高比
  if (w <= h)
  {windowWidth = 100;windowHeight = 100 / aspectRatio;
  }
  else
  {windowWidth = 100 * aspectRatio;windowHeight = 100;
  }
  

  引入了 windowWidth 和 windowHeight 全局变量，用于保存窗口的宽度和高度

• 使用 glOrtho 函数设置正交投影矩阵，将场景限定在一个固定大小的区域内，以保持图形的比例不变

   glOrtho(-windowWidth, windowWidth, -windowHeight, windowHeight, 1.0, -1.0);
  

2.5.2 渲染函数

渲染函数修改：

• 在绘制三角形时，顶点坐标根据 x 和 y 的值确定，以及矩形大小 rsize 的一半，顶点定义如下：

  glVertex2f(x, y);     
  glVertex2f(x + rsize, y);
  glVertex2f(x + rsize / 2, y + rsize);
  

2.5.3 定时器

修改了定时器函数 timer：

• 先更新位置 x 和 y

  x += dx;
  y += dy;
  

• 然后检测是否与窗口边界发生碰撞，如果碰撞，则将对应的速度分量 dx 或 dy 取反，实现反弹效果，并稍微调整位置以避免卡在边界上

   // 检测碰撞，如果碰到边界就反弹if (x + rsize > windowWidth || x < -windowWidth){dx = -dx;x += dx; // 稍微调整位置，防止卡在边界上}if (y + rsize > windowHeight || y < -windowHeight){dy = -dy;y += dy; // 稍微调整位置，防止卡在边界上}
  

• 使用 glutPostRedisplay() 触发重绘，以更新窗口中的图形

• 设置定时器每16ms触发一次 glutTimerFunc(16, timer, 1);，以实现动画效果

2.5.4 控制速度

控制速度的实现：

我们使用了 processNormalKeys 函数来处理普通按键事件

1. 当按下 ESC 键时，程序退出
2. 当按下 ‘w’ 键时，增加图形在y方向上的速度
3. 当按下 ‘s’ 键时，减少图形在y方向上的速度，但保证速度不小于0
4. 当按下 ‘a’ 键时，减少图形在x方向上的速度，但保证速度不小于0
5. 当按下 ‘d’ 键时，增加图形在x方向上的速度

switch (key)
{
case 27: // ESC键exit(0);break;
case 'w': // 增加y方向的速度dy += 0.1;break;
case 's': // 减少y方向的速度，但不小于0if (dy > 0){dy -= 0.1;            }break;
case 'a': // 减少x方向的速度，但不小于0if (dx > 0){dx -= 0.1;            }break;
case 'd': // 增加x方向的速度dx += 0.1;break;
}