Python OpenGL详解

一、Python OpenGL简介

Python OpenGL是Python语言下的一个高性能图形库，主要用于渲染二维和三维图像。它可以在多个平台上运行，包括Windows、Linux和MacOS。 Python OpenGL是基于OpenGL编写的，OpenGL是一个标准的图形API，支持多种编程语言。

Python OpenGL结合了Python的简单易用性和OpenGL的高性能，是一个非常强大的工具。Python OpenGL具有灵活性、可移植性和易用性，拥有强大的图形功能，使得它成为图形开发领域中非常受欢迎的一个工具。

Python OpenGL主要包括两个库，一个是PyOpenGL，一个是PyOpenGL-accelerate。 PyOpenGL提供了一个OpenGL的Python封装，它执行OpenGL的所有操作，包括渲染和微调。PyOpenGL-accelerate是PyOpenGL的加速版本，它提供了针对特定硬件的优化。

二、Python OpenGL的基本操作

PyOpenGL主要使用OpenGL进行渲染。OpenGL是一个基于状态机的图形API，使用过程中需要进行状态的设置和查询。为了方便，PyOpenGL提供了许多函数和类，使你可以使用Python代码调用OpenGL的函数。

以下是一个使用Python OpenGL进行渲染的基本流程：

import OpenGL.GL as gl
import OpenGL.GLUT as glut

def display():
    gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    gl.glBegin(gl.GL_TRIANGLES)
    gl.glVertex2f(-0.5, -0.5)
    gl.glVertex2f(0, 0.5)
    gl.glVertex2f(0.5, -0.5)
    gl.glEnd()
    glut.glutSwapBuffers()

def main():
    glut.glutInit()
    glut.glutInitWindowSize(512, 512)
    glut.glutCreateWindow(b"OpenGL window")
    glut.glutDisplayFunc(display)
    glut.glutMainLoop()

if __name__ == "__main__":
    main()

这个程序创建了一个OpenGL窗口，并在其中绘制了一个三角形。 主要步骤如下：

1. 导入OpenGL.GL和OpenGL.GLUT库。
2. 定义一个显示函数，在其中执行OpenGL命令绘制三角形。
3. 定义一个主函数， 初始化OpenGL，设置窗口大小，创建窗口，将显示函数绑定到窗口，并进入主事件循环。
4. 使用if\_\_name\_\_ == "\_\_main\_\_": main() 进行程序入口的调用。

三、Python OpenGL的常用功能

1. 纹理映射

纹理映射是一种将图片应用到三维模型上的技术，通过纹理映射，可以使模型看起来更加真实。

以下是一个使用纹理映射的例子：

import OpenGL.GL as gl
import OpenGL.GLUT as glut
from PIL import Image

def load_texture(filename):
    img = Image.open(filename)
    img_data = numpy.array(list(img.getdata()), numpy.int8)
    texture = gl.glGenTextures(1)
    gl.glBindTexture(gl.GL_TEXTURE_2D, texture)
    gl.glPixelStorei(gl.GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1)
    gl.glTexImage2D(gl.GL_TEXTURE_2D, 0, gl.GL_RGB, img.size[0], img.size[1], 0, gl.GL_RGB, gl.GL_UNSIGNED_BYTE, img_data)
    gl.glTexParameteri(gl.GL_TEXTURE_2D, gl.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, gl.GL_LINEAR)
    gl.glTexParameteri(gl.GL_TEXTURE_2D, gl.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, gl.GL_LINEAR)
    return texture

def draw_box(texture):
    gl.glBindTexture(gl.GL_TEXTURE_2D, texture)
    gl.glBegin(gl.GL_QUADS)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, -1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, 1.0, 1.0)
    
    gl.glTexCoord2f(1.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, -1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, 1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, -1.0)
    
    gl.glTexCoord2f(0.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, 1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, 1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, -1.0)
    
    gl.glTexCoord2f(1.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, -1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(-1.0, -1.0, 1.0)
    
    gl.glTexCoord2f(1.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(1.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, -1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 1.0)
    gl.glVertex3f(1.0, 1.0, 1.0)
    gl.glTexCoord2f(0.0, 0.0)
    gl.glVertex3f(1.0, -1.0, 1.0)    
    gl.glEnd()

def display():
    gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.glLoadIdentity()
    glu.gluLookAt(0, 0, -10, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
    draw_box(texture)
    glut.glutSwapBuffers()

def main():
    glut.glutInit()
    glut.glutInitWindowSize(640, 480)
    glut.glutCreateWindow("Texture Mapping")
    glut.glutDisplayFunc(display)
    glut.glutIdleFunc(idle)
    glut.glutKeyboardFunc(keyboard)
    texture = load_texture("texture1.jpg")
    gl.glEnable(gl.GL_TEXTURE_2D)
    gl.glEnable(gl.GL_DEPTH_TEST)
    gl.glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
    glut.glutMainLoop()

if __name__ == "__main__":
    main()

这个程序创建了一个包含图片的立方体，并使用纹理映射把图片应用到立方体的表面上。

2. 光照

光照是渲染三维场景时非常重要的一个方面，它可以使得场景看起来更加真实。

以下是一个使用光照的例子：

import OpenGL.GL as gl
import OpenGL.GLUT as glut

def init_lights():
    light0_position = [-1, 1, 0, 0]
    light0_ambient = [0, 0, 0, 1]
    light0_diffuse = [1, 1, 1, 1]
    light0_specular = [1, 1, 1, 1]

    gl.glLightfv(gl.GL_LIGHT0, gl.GL_POSITION, light0_position)
    gl.glLightfv(gl.GL_LIGHT0, gl.GL_AMBIENT, light0_ambient)
    gl.glLightfv(gl.GL_LIGHT0, gl.GL_DIFFUSE, light0_diffuse)
    gl.glLightfv(gl.GL_LIGHT0, gl.GL_SPECULAR, light0_specular)

    gl.glEnable(gl.GL_LIGHT0)
    gl.glEnable(gl.GL_LIGHTING)
    gl.glShadeModel(gl.GL_SMOOTH)

def display():
    gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.glLoadIdentity()
    glu.gluLookAt(0, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
    gl.glRotatef(30, 1, 0, 0)
    gl.glRotatef(30, 0, 1, 0)
    glut.glutSolidTeapot(2)
    glut.glutSwapBuffers()

def main():
    glut.glutInit()
    glut.glutInitWindowSize(640, 480)
    glut.glutCreateWindow("Lighting")
    glut.glutDisplayFunc(display)
    glut.glutIdleFunc(idle)
    glut.glutKeyboardFunc(keyboard)
    init_lights()
    gl.glEnable(gl.GL_DEPTH_TEST)
    gl.glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
    glut.glutMainLoop()

if __name__ == "__main__":
    main()

这个程序创建了一个包含光照的茶壶。

3. 多边形剖分

多边形剖分是指将一个复杂的多边形分割为若干简单多边形的过程。在渲染三维图像时，多边形剖分可以使得渲染效率更高，同时可以减少z-fighting问题的发生。

以下是一个使用多边形剖分的例子：

import OpenGL.GL as gl
import OpenGL.GLUT as glut
import numpy

def draw_character(c, position):
    if c == 'A':
        gl.glBegin(gl.GL_TRIANGLES)
        gl.glVertex3f(-1.0, 0.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(1.0, 0.0, 0.0)
        gl.glEnd()
    elif c == 'B':
        gl.glBegin(gl.GL_POLYGON)
        gl.glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(-1.0, 1.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(0.5, 0.0, 0.0)
        gl.glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0)
        gl.glEnd()

def display():
    gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    gl.glLoadIdentity()
    glu.gluLookAt(0, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
    gl.glRotatef(30, 1, 0, 0)
    gl.glRotatef(30, 0, 1, 0)
    gl.glPolygonMode(gl.GL_FRONT_AND_BACK, gl.GL_FILL)
    for c, position in zip(string.ascii_uppercase, numpy.linspace(-10, 10, 26)):
        gl.glPushMatrix()
        gl.glTranslatef(position, 0.0, 0.0)
        draw_character(c, position)
        gl.glPopMatrix()
    glut.glutSwapBuffers()

def main():
    glut.glutInit()
    glut.glutInitWindowSize(640, 480)
    glut.glutCreateWindow("Polygon Tessellation")