1.1 OpenGL 点的绘制#

1. 任务描述#

根据下面要求，在右侧修改代码空间，绘制出预期输出的图片。平台会对你编写的代码进行测试。

本关任务#

1. 熟悉编程环境。
2. 了解光栅图形显示器的特点。
3. 了解计算机绘图的特点。
4. 进行编程，以 OpenGL 为开发平台设计程序，以能够在屏幕上生成三个坐标、颜色和尺寸一定的点。

预期输出#

具体要求#

1. 背景色为黑色，用 glClearColor() 来完成。
2. 渲染的点的直径设置为 3。
3. 选用 GL_POINTS 作为图形类型。
4. 三个点的颜色分别为 (1.0f, 0.0f, 0.0f), (0.0f, 1.0f, 0.0f), (0.0f, 0.0f, 1.0f)。
5. 三个点对应的顶点坐标分别为 (-0.4f, -0.4f), (0.0f, 0.0f), (0.4f, 0.4f)。

相关知识#

为了完成本关任务，你需要掌握：Freeglut 库的基本用法与虚拟机代码的使用方法。

1. FreeGlut 简介#

先介绍下 GLUT 库。GLUT 最初由 Mark Kilgard 编写，从 OpenGL Redbook（红宝书）第二版起就用来作为示例程序的支持环境，直到第八版为止（注：第九版开始改为 GLFW）。从那时起，GLUT 因为其简单、可用性广、可移植性强，被广泛应用于各种 OpenGL 实际应用中。Glut 最新版本为 3.7 版，大致在 1998 年 8 月停止维护和更新，同时其代码也没有开源。

Freeglut 是 Glut 库（OpenGL Utility Toolkit，OpenGL 实用工具包）的免费开源替代品。它是由 Pawel W. Olszta 在 1999 年 12 月创建，最新版本为 2015 年 3 月的 3.0 版本。

2. 基本语法#

常用的程序设计语言，如 C, C++, Pascal, Fortran 和 Java 等，都支持 OpenGL 的开发。这里只讨论 C 版本下 OpenGL 的语法。

• OpenGL 基本函数均使用 gl 作为函数名的前缀，如 glClearColor()。
• 实用函数则使用 glu 作为函数名的前缀，如 gluSphere()。
• OpenGL 基本常量的名字以 GL_ 开头，如 GL_LINE_LOOP。
• 实用常量的名字以 GLU_ 开头，如 GLU_FILL。
• 一些函数如 glColor*()（定义颜色值），函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式。例如 glColor3b(...), glColor3d(...), glColor3f(...) 和 glColor3bv(...) 等，这几个函数在功能上是相似的，只是适用于不同的数据类型和格式。其中 3 表示该函数带有三个参数，b, d, f 分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型，v 则表示这些参数是以向量形式出现的。

为便于移植，OpenGL 定义了一些自己的数据类型，如 GLfloat, GLvoid，它们其实就是 C 语言中的 float 和 void。在 gl.h 文件中可以看到以下定义：

typedef float GLfloat;
typedef void GLvoid;

3. freeglut 库的基本函数#

• (1) 初始化函数
  glutInit(int *argc, char **argv)
  • argc：一个指针，指向从 main() 函数传递过来的没更改的 argc 变量。
  • argv：一个指针，指向从 main() 函数传递过来的没更改的 argv 变量。
• (2) 初始化窗口位置
  glutInitWindowPosition(int x, int y)
• (3) 初始化窗口大小
  glutInitWindowSize(int x, int y)
• (4) 创建窗口
  glutCreateWindow(char *title)
  • title：窗口标题。
• (5) 绘图函数
  display(void)
• (6) 窗口重绘函数
  glutDisplayFunc(&display)
  • display：调用的函数名称。
• (7) 指定刷新颜色缓冲区时所用的颜色
  glClearColor(float r, float g, float b, float a)
• (8) 刷新颜色缓冲区
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
• (9) 指定栅格化点的直径
  glPointSize(int size)
• (10) 指定绘制图形的类型
  glBegin(GLenum mode)
  • mode：图形类型。
• (11) 设置颜色
  glColor3f(float r, float g, float b)
• (12) 设置顶点坐标
  glVertex2f(float x, float y)
• (13) 指定的类型结束（与 glBegin 相对）
  glEnd()
• (14) 清空缓冲区
  glFlush()
• (15) 所有的与“事件”有关的函数调用无限循环
  glutMainLoop()

4. 状态机制#

OpenGL 的工作方式是一种状态机制，它可以进行各种状态或模式设置，这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。例如，当前颜色就是一个状态变量，在这个状态改变之前，绘制的每个像素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其他颜色为止。

OpenGL 中大量使用了这种状态机制，如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等。许多状态变量可以通过 glEnable(), glDisable() 这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度检测等；在被设置成有效状态之后，绝大部分状态变量都有一个默认值。

通常情况下，可以用下列四个函数来获取某个状态变量的值：glGetBooleanv, glGetDouble, glGetFloatv 和 glGetIntegerv。究竟选择哪个函数应该根据所要获得的返回值的数据类型来决定。还有些状态变量有特殊的查询函数，如 glGetLight*, glGetError 和 glPolygonStipple 等。另外，使用 glPushAttrib 和 glPopAttrib 函数空间，可以存储和恢复最近的状态变量的值。只要有可能，都应该使用这些函数，因为它们比其他查询函数的效率更高。

5. OpenGL 的坐标系统#

如下图所示，OpenGL 坐标与绘图区坐标关系如下：

• 绘图区的中心点：(0.0, 0.0, 0.0)
• 绘图区的右上角点：(1.0, 1.0, 0.0)
• 绘图区的左下角点：(-1.0, -1.0, 0.0)

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开始你的任务吧，祝评测通过！

2. 我的回答#

文件 step1/test1.cpp:

// 提示：写完代码请保存之后再进行评测
#include <GL/freeglut.h>
#include <stdio.h>

// 评测代码所用头文件-开始
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
// 评测代码所用头文件-结束

void myDisplay(void)
{
    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    glPointSize(3.0f);

    glBegin(GL_POINTS);
    
        glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);
        glVertex2f(-0.4f, -0.4f);

        glColor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
        glVertex2f(0.0f, 0.0f);

        glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);
        glVertex2f(0.4f, 0.4f);
        
    glEnd();

   /********** End **********/

 	glFlush();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	glutInit(&argc, argv);
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	glutInitWindowSize(400, 400);
	glutCreateWindow("Hello Point!");
	glutDisplayFunc(&myDisplay);
    glutMainLoopEvent();     
     
     
    /*************以下为评测代码，与本次实验内容无关，请勿修改**************/
	GLubyte* pPixelData = (GLubyte*)malloc(400 * 400 * 3);//分配内存
    GLint viewport[4] = {0};    
    glReadBuffer(GL_FRONT);
    glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4);
    glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);
    glReadPixels(viewport[0], viewport[1], viewport[2], viewport[3], GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, pPixelData);

	cv::Mat img;
    std::vector<cv::Mat> imgPlanes;
    img.create(400, 400, CV_8UC3);
    cv::split(img, imgPlanes);
 
    for(int i = 0; i < 400; i ++) {
        unsigned char* plane0Ptr = imgPlanes[0].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane1Ptr = imgPlanes[1].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane2Ptr = imgPlanes[2].ptr<unsigned char>(i);
        for(int j = 0; j < 400; j ++) {
            int k = 3 * (i * 400 + j);
            plane2Ptr[j] = pPixelData[k];
            plane1Ptr[j] = pPixelData[k+1];
            plane0Ptr[j] = pPixelData[k+2];
        }
    }
    cv::merge(imgPlanes, img);
    cv::flip(img, img ,0); 
    cv::namedWindow("openglGrab");
    cv::imshow("openglGrab", img);
    //cv::waitKey();
    cv::imwrite("../img_step1/test.jpg", img);
	return 0;
}