第48篇进阶（八） 3D绘图简介

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2023-12-01

导语

OpenGL是一个跨平台的用来渲染3D图形的标准API。在Qt中提供了QtOpenGL模块，从而很轻松地实现了在Qt应用程序中使用OpenGL，这主要是在QGLWidget类中完成的。因为3D绘图涉及到了专业方面的内容，我们下面只是讲解最简单的使用，向大家演示在Qt中如何显示3D图形。如果大家想深入学习openGL绘图，可以查看网上比较经典的nehe的OpenGL教程，为了方便大家下载，我们在网站上提供了下载连接。

环境：Windows Xp + Qt 4.8.5+QtCreator2.8.0

正文

一、绘制简单的图形

QGLWidget类是一个用来渲染OpenGL图形的部件，它提供了在Qt应用程序中显示OpenGL图形的功能。我们只需要继承该类，然后像使用其他QWidget部件一样来使用它。QGLWidget提供了三个虚函数，可以在子类中通过重新实现它们来执行典型的OpenGL任务：

initializeGL()：设置OpenGL渲染环境，定义显示列表等。该函数只在第一次调用resizeGL()或paintGL()前被调用一次；
resizeGL()：设置OpenGL的视口、投影等。每次部件改变大小时都会调用该函数；
paintGL()：渲染OpenGL场景。每当部件需要更新时都会调用该函数。

下面先来看一个简单的例子。

1．新建空的Qt项目，项目名称为myOpenGL，完成后向项目中添加新的C++ Class，类名为MyGLWidget，基类修改为QGLWidget，类型信息选择“继承自QWidget”。

2．完成后打开myOpenGL.pro，添加一行代码：

QT += opengl

然后保存该文件。

3．打开myglwidget.h文件，添加函数声明：

protected:
    void initializeGL();
    void resizeGL(int w, int h);
    void paintGL();

4．再到myglwidget.cpp文件中先添加头文件包含：

#include <GL/glu.h>

然后添加这三个函数的定义：

void MyGLWidget::initializeGL()
{
   glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
   glShadeModel(GL_SMOOTH);
   glClearDepth(1.0);
   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}

glClearColor()函数用来设置清除屏幕时使用的颜色，其四个参数分别用来设置红、绿、蓝颜色分量和Alpha值，它们的取值范围都是0.0到1.0，这里四个参数都为0，表示纯黑色。然后设置了阴影平滑（smooth shading），这样可以使色彩和光照更加精细。最后设置了深度缓存和启用深度测试，用来记录图形在屏幕内的深度值。

void MyGLWidget::resizeGL(int w, int h)
{
   glViewport(0, 0, (GLint)w, (GLint)h);
   glMatrixMode(GL_PROJECTION);
   glLoadIdentity();
   gluPerspective(45.0, (GLfloat)w/(GLfloat)h, 0.1, 100.0);
   glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
   glLoadIdentity();
}

glViewport()函数用来设置视口的大小。然后使用glMatrixMode()设置了投影矩阵，投影矩阵用来为场景增加，后面使用了glLoadIdentity()重置投影矩阵，这样可以将投影矩阵恢复到初始状态。gluPerspective()用来设置投影矩阵，这里设置视角为45度，纵横比为窗口的纵横比，最近的位置为0.1，最远的位置为100，这两个值是场景中所能绘制的深度的临界值。大家可以想象，离我们眼睛比较近的东西看起来比较大，而比较远的东西看起来就比较小。最后设置并重置了模型视图矩阵。

void MyGLWidget::paintGL()
{
   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glLoadIdentity();
   // 绘制三角形
   glTranslatef(-2.0, 0.0, -6.0);
   glBegin(GL_TRIANGLES);  
   glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0);
   glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0);
   glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0);
   glEnd();
   // 绘制四边形
   glTranslatef(4.0, 0.0, 0.0);
   glBegin(GL_QUADS);   
   glVertex3f(-1.0, 1.0, 0.0);
   glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);
   glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0);
   glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0);
   glEnd();
}

在开始绘制以前，先要使用glClear()清除屏幕和深度缓存。然后重置了模型视图矩阵，这样便将当前点移动到了窗口的中心，现在窗口中心即为坐标原点，X轴从左到右，Y轴从下到上，Z轴从里到外。完成这两步以后就可以进行图形的绘制了，在图形绘制开始时，一般会使用glTranslatef()来移动坐标原点，它是相对于当前点来移动的，比如这里先将坐标原点左移2.0，向里移6.0，然后绘制了三角形（TRIANGLES）。绘制从glBegin()开始，到glEnd()结束，使用glVertex3f()来设置各个顶点的坐标，顶点的绘制顺序可以是顺时针，也可以是逆时针。要注意逆时针绘制出来的是正面，而顺时针绘制出来的是反面，这一点在后面的纹理贴图部分会显示出来。当绘制完三角形以后，又将原点相对于当前点向右移动了4.0，然后绘制了一个四边形（QUADS）。

5．最后再向项目中添加main.cpp文件，更改内容如下：

#include <QApplication>
#include "myglwidget.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
   QApplication app(argc,argv);
   MyGLWidget w;
   w.resize(400, 300);
   w.show();
   return app.exec();
}

现在运行程序，效果如下图所示。

可以看到，在Qt中只需要实现这三个函数就可以进行OpenGL绘图了。

二、添加颜色

上面的例子中图形都是白色的，可以使用glColor3f()函数来设置绘制时使用的颜色，它的三个参数用来指定RGB（红绿蓝）颜色分量，取值范围为0.0到1.0。我们可以在绘制一个顶点时指定使用的颜色，如果后面不再设置其他颜色，那么所有的顶点都将使用同样的颜色。

下面我们将图形的绘制代码更改如下：

void MyGLWidget::paintGL()
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    glLoadIdentity();
    glTranslatef(-2.0, 0.0, -6.0);
    glBegin(GL_TRIANGLES);
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
    glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0);
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);
    glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0);
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
    glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0);
    glEnd();
    glTranslatef(4.0, 0.0, 0.0);
    glBegin(GL_QUADS);
    glColor3f(1.0, 1.0, 0.0);
    glVertex3f(-1.0, 1.0, 0.0);
    glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);
    glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0);
    glVertex3f(-1.0, -1.0, 0.0);
    glEnd();
}

可以看到三角形的三个角分别是红色、绿色和蓝色，而正方形是纯黄色的。如下图所示。

三、实现3D效果

前面的图形都还是平面图形，下面添加代码来实现三维立体效果。将程序中绘制图形的代码更改为：

void MyGLWidget::paintGL()
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    glLoadIdentity();
    glTranslatef(0.0, 0.0, -6.0);
    glRotatef(45, 0.0, 1.0, 0.0);
    glBegin(GL_QUADS);
    // 上面
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
    glVertex3f(1.0, 1.0, 1.0);
    glVertex3f(1.0, 1.0, -1.0);
    glVertex3f(-1.0, 1.0, -1.0);
    glVertex3f(-1.0, 1.0, 1.0);
    // 下面
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);
    glVertex3f(1.0, -1.0, 1.0);
    glVertex3f(1.0, -1.0, -1.0);
    glVertex3f(-1.0, -1.0, -1.0);
    glVertex3f(-1.0, -1.0, 1.0);
    // 前面
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
    glVertex3f(1.0, 1.0, 1.0);
    glVertex3f(-1.0, 1.0, 1.0);
    glVertex3f(-1.0, -1.0, 1.0);
    glVertex3f(1.0, -1.0, 1.0);
    glEnd();
}

这里使用了glRotatef(angle, x, y, z)函数来对坐标轴进行旋转，它的第一个参数是旋转的角度，后面三个参数用来确定旋转轴向量。旋转轴经过原点，指向（x,y,z）点。图形的旋转满足右手定则，就是用右手握住旋转轴，大拇指指向旋转轴所指的方向，然后其他四个手指所指的方向就是要旋转的方向。再往下面，分别绘制了三个正方形作为正方体的三个面，大家还可以再补充上其他几个面。运行程序，效果如下图所示。

结语

这一节只是向大家简单演示了如何在Qt中进行openGL编程来实现3D绘图，目的只是让大家看到在Qt中进行3D绘图是非常简单的。如果想进一步应实现更炫酷的效果，就需要拥有openGL的专业知识了。

涉及到的代码

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