第3章圖形學(xué)輸入與交互

1、第三章輸入與交互基本內(nèi)容常見的輸入設(shè)備物理設(shè)備邏輯設(shè)備輸入模式事件驅(qū)動(dòng)的輸入光滑動(dòng)畫中的雙緩存用GLUT進(jìn)行事件輸入編程Sketchpad項(xiàng)目Ivan Sutherland (MIT 1963年)建立了刻劃交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本框架： 用戶在顯示器上看到一個(gè)對象用戶利用輸入設(shè)備(光筆、鼠標(biāo)、跟蹤球等)點(diǎn)選該對象對象發(fā)生了改變(移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、變形等)重復(fù)上述過程圖形輸入設(shè)備輸入設(shè)備可以用下述兩種屬性中的一種進(jìn)行描述述 物理屬性鼠標(biāo)鍵盤跟蹤球邏輯屬性設(shè)備通過API返回給程序的內(nèi)容是什么？位置對象標(biāo)識(shí)模式如何以及何時(shí)獲取輸入？請求(主動(dòng))或者事件(被動(dòng))物理設(shè)備物理設(shè)備輸入值 類似于數(shù)據(jù)板等設(shè)備直接

2、向操作系統(tǒng)返回位置 類似于鼠標(biāo)、跟蹤球以及游戲操縱桿等設(shè)備向操作系統(tǒng)返回一個(gè)步進(jìn)輸入(即速度)必須把這些輸入累加在一起得到一個(gè)絕對位置 鼠標(biāo)滾輪的旋轉(zhuǎn) 跟蹤球的滾動(dòng) 難以得到絕對位置 輸入可能相當(dāng)敏感邏輯設(shè)備 考慮C與C+代碼： C+： cinx; C: scanf(”%d”, &x); 輸入設(shè)備是什么？ 代碼中并沒有指明 可以是鍵盤、文件、或者其它程序的輸出 上述代碼要求的是就是邏輯輸入 不管物理設(shè)備是什么，程序得到一個(gè)數(shù)(int)作為輸入圖形邏輯設(shè)備 相對于在標(biāo)準(zhǔn)程序中的輸入通常只是數(shù)字、字 符或者字節(jié)而言，圖形輸入的形式更多 在GKS和PHIGS這兩個(gè)老的API中，定義了六 種類

3、型的邏輯輸入： 定位：返回一個(gè)位置 選?。悍祷貙ο蟮臉?biāo)識(shí)ID 鍵盤：返回字符串 軌跡：返回位置數(shù)組 求值：返回浮點(diǎn)數(shù) 選擇：返回n項(xiàng)中的一項(xiàng)X Window的輸入 在X Window系統(tǒng)中引入了適用于工作站網(wǎng)絡(luò)的 客戶-服務(wù)模型 客戶 client: OpenGL程序 圖形服務(wù)器：具有點(diǎn)選設(shè)備和鍵盤的位圖顯示設(shè)備客戶-服務(wù)體系輸入模式 在輸入設(shè)備中具有一個(gè)觸發(fā)器(trigger), 它可以向操作系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信息 鼠標(biāo)上的按鈕 按放鍵盤上的鍵 當(dāng)觸發(fā)后，輸入設(shè)備向系統(tǒng)返回信息(相 應(yīng)的度量) 鼠標(biāo)返回位置信息 鍵盤返回ASCII代碼請求模式 只有當(dāng)用戶觸發(fā)了設(shè)備后，輸入才提供給程序 鍵盤輸入為典

4、型例子 在按回車鍵(觸發(fā)器)之前，可以刪除(回退)、編輯、修 改輸入的信息事件模式 絕大部分系統(tǒng)具有多個(gè)輸入設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都 可能被用戶在任意時(shí)間觸發(fā) 每個(gè)觸發(fā)生成一個(gè)事件，事件的度量信息放到 事件隊(duì)列中，用戶程序檢查該隊(duì)列事件類型 窗口：改變尺寸、重新顯示、縮成圖標(biāo) 鼠標(biāo)：點(diǎn)擊一個(gè)或多個(gè)按鈕，移動(dòng) 鍵盤：按下或釋放某個(gè)鍵 空閑：“沒有事件” 可以定義如果隊(duì)列中沒有其它事件就可以進(jìn)行 的某種操作回調(diào) 回調(diào)是事件驅(qū)動(dòng)輸入方式的程序界面 為圖形系統(tǒng)可以識(shí)別的每種類型事件定義 一個(gè)回調(diào)函數(shù) 當(dāng)相應(yīng)的事件出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行用戶 指定的函數(shù) GLUT示例 glutMouseFunc(mymouse);

5、GLUT中的回調(diào)函數(shù) GLUT識(shí)別在各種窗口系統(tǒng)(Windows, X, Macintosh)中都有的一組事件 glutDisplayFunc glutMouseFunc glutReshapeFunc glutKeyboardFunc glutIdleFunc glutMotionFunc glutPassiveMotionFuncGLUT中的事件循環(huán) 記住: 在任何利用GLUT的程序中，main()的最 后一行實(shí)質(zhì)語句必須是 glutMainLoop(); 這條語句使得程序進(jìn)入一個(gè)無窮的事件循環(huán) 每經(jīng)過事件循環(huán)一次，GLUT進(jìn)行下述操作 查看事件隊(duì)列中的事件 對于在隊(duì)列中的每個(gè)事件，如果定

6、義了相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)， GLUT就執(zhí)行這個(gè)回調(diào)函數(shù) 如果對該事件沒有定義回調(diào)函數(shù)，那么就忽略該事件顯示回調(diào)函數(shù) 只要GLUT確定需要刷新窗口，那么就會(huì)執(zhí)行 顯示回調(diào)函數(shù)，例如 當(dāng)?shù)谝淮未蜷_窗口的時(shí)候 當(dāng)改變了窗口形狀的時(shí)候 當(dāng)重新露出了窗口的時(shí)候 當(dāng)用戶程序決定需要改變顯示內(nèi)容的時(shí)候 在main()中， glutDisplayFunc(mydisplay)確定要執(zhí)行的顯示 回調(diào)整函數(shù) 每個(gè)GLUT程序都必須有一個(gè)顯示回調(diào)函數(shù)，必要時(shí)可 以設(shè)置為空函數(shù)標(biāo)識(shí)重新顯示 許多事件都會(huì)導(dǎo)致調(diào)用顯示回調(diào)函數(shù) 這會(huì)導(dǎo)致遍歷一次事件循環(huán)的過程中多次執(zhí)行顯示回調(diào) 函數(shù) 可以用下列方法避免這個(gè)問題 glutPost

7、Redisplay(); 這條語句設(shè)置一個(gè)標(biāo)志 當(dāng)事件循環(huán)結(jié)束時(shí)，GLUT會(huì)檢查是否設(shè)置了上 述標(biāo)志 如果設(shè)置了標(biāo)志，那么就會(huì)執(zhí)行顯示回調(diào)函數(shù)動(dòng)畫 當(dāng)通過顯示回調(diào)函數(shù)重新繪制顯示結(jié)果時(shí)，我 們通常會(huì)首先清除整個(gè)窗口： glClear() 然后再繪制已發(fā)生了變化的顯示結(jié)果 問題：幀緩沖區(qū)中的信息在顯示器上的顯示結(jié) 果出現(xiàn)了錯(cuò)位 圖形系統(tǒng)可以同時(shí)向顯存中寫入內(nèi)容和從中讀出內(nèi)容 從而我們會(huì)看到部分顯示內(nèi)容 例：single_double.c 旋轉(zhuǎn)的立方體 顯卡若啟動(dòng)了硬件加速功能，不會(huì)發(fā)現(xiàn)上述問題雙緩存 不只用一個(gè)顏色緩沖區(qū)，而是應(yīng)用兩個(gè)緩沖區(qū) 前緩沖區(qū)：顯示它的內(nèi)容，但不向它寫入內(nèi)容 后緩沖區(qū)：寫

8、入內(nèi)容，不顯示 程序在main()中請求使用雙緩存 glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_DOUBLE) 在顯示回調(diào)函數(shù)結(jié)束之前，交換兩個(gè)緩沖區(qū) void mydisplay() glClear(); / 繪制圖形 glutSwapBuffers(); 空閑回調(diào)的應(yīng)用當(dāng)在事件隊(duì)列中沒有事件時(shí)，就執(zhí)行該回調(diào)函數(shù)glutIdleFunc(myidle)在動(dòng)畫中非常有用void myidle() /改變一些內(nèi)容t += dt;glutPostRedisplay();void mydisplay() glClear();/ 根據(jù)t繪制圖形glutSwapBuffers()

9、;全局變量的應(yīng)用 所有GLUT回調(diào)函數(shù)的調(diào)用形式是固定的 void mydisplay(); void mymouse(GLint button, GLint state, GLint x, GLint y); 為了向回調(diào)函數(shù)傳遞信息，必須應(yīng)用全局變量 float t; /全局變量 void mydisplay() /根據(jù)t繪制圖形 回調(diào)的應(yīng)用 利用GLUT回調(diào)函數(shù)設(shè)計(jì)交互程序 鼠標(biāo) 鍵盤 改變窗口形狀 在GLUT中定義菜單鼠標(biāo)回調(diào)函數(shù) glutMouseFunc(mymouse) void mymouse(GLint button, GLint state, GLint x, GLint y

10、) 其中button的值可能是 GLUT_LEFT_BUTTON, GLUT_MIDDLE_BUTTON, GLUT_RIGHT_BUTTON 表示哪個(gè)按鈕導(dǎo)致了事件發(fā)生 state表示相應(yīng)按鈕的狀態(tài)： GL_UP, GL_DOWN x, y表示在窗口中的位置定位在屏幕上的位置通常是以像素為單位的，原點(diǎn)在左上角 因?yàn)轱@示器自頂向下刷新顯示內(nèi)容 在OpenGL中應(yīng)用一個(gè)世界坐標(biāo)系，其原點(diǎn)在左下角 在這個(gè)坐標(biāo)系中的y坐標(biāo)需要從窗口高度中減去回調(diào)函數(shù)返回的y值：y := h-y獲取窗口尺寸 為了完成y坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，需要知道窗口的 尺寸 在程序執(zhí)行過程中高度可能發(fā)生改變 需要利用一個(gè)全局變量跟蹤其變化

11、新高度值返回給形狀改變回調(diào)函數(shù)(見后) 也可以用查詢函數(shù)glGetIntv和 glGetFloatv獲取，因?yàn)楦叨仁菭顟B(tài)的一部 分結(jié)束程序 在以前的程序中沒有辦法通過OpenGL結(jié) 束當(dāng)前程序 可以利用簡單的鼠標(biāo)回調(diào)函數(shù)做到這一點(diǎn) void mouse(GLint btn, GLint state, GLint x, GLint y) if(btn=GLUT_RIGHT_BUTTON & state = GLUT_DOWN) exit(0); 鼠標(biāo)位置的應(yīng)用 在要構(gòu)造的例子中，每單擊一次鼠標(biāo)左按 鈕，就會(huì)在當(dāng)前鼠標(biāo)位置處畫一個(gè)小方框 在這個(gè)例子中并沒有用到顯示回調(diào)函數(shù)， 但是由于GLU

12、T要求必須有一個(gè)顯示回調(diào) 函數(shù)，因此要定義一個(gè)空函數(shù) mydisplay() 在指針處畫方框void mymouse(GLint btn, GLint state, GLint x, GLint y) if(btn = GLUT_RIGHT_BUTTON & state = GLUT_DOWN) exit(0);if(btn = GLUT_LEFT_BUTTON & state = GLUT_DOWN)drawSquare(x, y);void drawSquare(GLint x, GLint y) y = h-y; /轉(zhuǎn)化y坐標(biāo)glColor3ub( (char)rand(

13、)%256, (char) rand()%256,(char)rand()%256);glBegin(GL_POLYGON);glVertex2f(x - size, y - size);glVertex2f(x + size, y - size);glVertex2f(x + size, y + size);glVertex2f(x - size, y + size);glEnd();鼠標(biāo)移動(dòng)回調(diào)函數(shù)的應(yīng)用 通過利用移動(dòng)回調(diào)函數(shù)可以在不釋放鼠標(biāo) 按鈕的情況下，連續(xù)畫一系列方框 (square.c) glutMotionFunc(drawSquare) 應(yīng)用被動(dòng)移動(dòng)回調(diào)函數(shù)，可以不用按鼠標(biāo) 按

14、鈕就可以連續(xù)畫方框 glutPassiveMotionFunc(drawSquare)鍵盤的應(yīng)用 glutKeyboardFunc(mykey) void mykey(GLubyte key, GLint x, GLint y) 返回鍵盤上被按下鍵的ASCII碼和鼠標(biāo)位置 注意在GLUT中并不把釋放鍵做為一個(gè)事件 void mykey(GLubyte key, GLint x, GLint y) if(key = Q | key = q) exit(0); 特殊按鍵 GLUT在glut.h中定義了特殊按鍵： 功能鍵1: GLUT_KEY_F1 向上方向鍵：GLUT_KEY_UP if(key

15、= GLUT_KEY_F1) 其它鍵 可以利用glutGetModifiers()探測是否按下了 GLUT_ACTIVE_SHIFT, GLUT_ACTIVE_CTRL, GLUT_ACTIVE_ALT 由此可以利用單鈕或雙鈕鼠標(biāo)模擬三鈕鼠標(biāo)窗口形狀的改變 通過拖動(dòng)窗口的角點(diǎn)可以改變窗口的形狀 和尺寸 那么其中的顯示內(nèi)容該如何處理？ 必須由應(yīng)用程序重新繪制 有兩種可能性 顯示原來內(nèi)容的一部分 通過強(qiáng)迫適應(yīng)新窗口來顯示所有內(nèi)容 可能會(huì)改變了顯示長寬比率形狀改變的可能性形狀改變的回調(diào)函數(shù) glutReshapeFunc(myreshape) void myreshape(GLint w, GLin

16、t h) 返回新窗口以像素為單位的寬度與高度 在回調(diào)函數(shù)執(zhí)行后自動(dòng)發(fā)送重新顯示的事件 GLUT有一個(gè)缺省的形狀改變的回調(diào)函數(shù)，但用戶可能 需要定義自己的行為 這個(gè)回調(diào)函數(shù)是放置照相機(jī)函數(shù)的恰當(dāng)?shù)胤剑?因?yàn)楫?dāng)窗口第一次被打開時(shí)就會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)例子在下面的例子中通過改變窗和世界窗口使得長寬比率不變void myreshape(GLint w, GLint h) glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION); /*switch matrix mode */glLoadIdentity();if(w=h)gluOrtho2D(-2.0, 2.0,

17、 -2.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w,2.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w);else gluOrtho2D(-2.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h,2.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -2.0, 2.0);glMatrixMode(GL_MODELVIEW); /*return to modelview mode*/窗口資源 許多窗口系統(tǒng)提供了一個(gè)工具包或者一組庫函 數(shù)用來建立用戶界面，界面中用到了一些特殊 類型的窗口，稱為資源構(gòu)件(widget) 構(gòu)件集合中包含下述工具： 菜單 滑動(dòng)條 對話框 輸入文本框 但上述構(gòu)件通常都是與

18、平臺(tái)相關(guān)的 GLUT只提供了包含菜單在內(nèi)的很少幾個(gè)構(gòu)件菜單 GLUT支持彈出式菜單 可以有子菜單 創(chuàng)建彈出式菜單的三個(gè)步驟 定義菜單內(nèi)各條目 定義每個(gè)菜單項(xiàng)的行為 如果條目被選擇執(zhí)行的操作 把菜單連接到鼠標(biāo)按鈕上定義一個(gè)簡單菜單 在main()中 menu_id = glutCreateMenu(mymenu); glutAddMenuEntry(“Clear Screen”, 1); glutAddMenuEntry(“Exit”, 2); glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);菜單的行為 菜單回調(diào)函數(shù) void mymenu(GLint id) if(id=1

19、) glClear(); if(id=2) exit(0); 注意在創(chuàng)建菜單時(shí)每項(xiàng)都有一個(gè)標(biāo)識(shí)符 添加子菜單 glutAddSubMenu(char *submenu_name, GLint submenu_id)子菜單 void createGLUTMenus() int menu,submenu; submenu = glutCreateMenu(processMenuEvents); glutAddMenuEntry(Red,RED); glutAddMenuEntry(Blue,BLUE); glutAddMenuEntry(Green,GREEN); menu = glutCreat

20、eMenu(processMenuEvents); glutAddMenuEntry(White,WHITE); glutAddSubMenu(RGB Menu,submenu); glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON); GLUT中其它的函數(shù) 動(dòng)態(tài)窗口 在執(zhí)行期間創(chuàng)建或關(guān)閉窗口 子窗口 多重窗口 在執(zhí)行期間改變回調(diào)函數(shù) 計(jì)時(shí)器 字體 glutBitmapCharacter glutStrokeCharacterGLUT教程 請?jiān)L問 http:/ 主要內(nèi)容學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的交互程序，采用的方法為為 選取 從顯示結(jié)果中選擇對象 三種方法 橡皮條 直線與矩形的交互繪制方法

21、 顯示列表 圖形的記憶模式選取(picking) 從顯示結(jié)果中識(shí)別用戶定義的對象 原則上說要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)是很簡單的，因 為鼠標(biāo)可以提供位置信息，我們因當(dāng)能夠 根據(jù)位置確定對應(yīng)的是哪個(gè)對象 實(shí)際操作中的困難 流水線式的圖形體系是單向的，很難從二維屏 幕返回到三維世界 二維屏幕，三維世界，也使問題變得復(fù)雜 離位置多近可以認(rèn)為選擇了對象？三種方法擊中(hit)列表最一般性的方法，實(shí)現(xiàn)也最困難 當(dāng)繪制對象時(shí)，利用后緩沖區(qū)或者其它緩沖區(qū)存貯對象的標(biāo)識(shí)矩形映射（容易實(shí)現(xiàn)）顯示輸出模式 利用glRenderMode(mode)可以設(shè)置 OpenGL用下述三種模式顯示內(nèi)容 GL_RENDER: 正常顯示到幀緩

22、沖區(qū)中(缺省模 式) GL_FEEDBACK：提供要顯示的幾何列表，但 并不輸出到幀緩沖區(qū)中 GL_SELECTION：在視景體中的每個(gè)幾何體創(chuàng) 建一個(gè)擊中記錄，這個(gè)記錄放到名稱堆棧中， 稍后要被檢測顯示輸出模式 利用glRenderMode(mode)可以設(shè)置 OpenGL用下述三種模式顯示內(nèi)容 GL_RENDER: 正常顯示到幀緩沖區(qū)中(缺省模 式) GL_FEEDBACK：提供要顯示的幾何列表，但 并不輸出到幀緩沖區(qū)中 GL_SELECTION：在視景體中的每個(gè)幾何體創(chuàng) 建一個(gè)擊中記錄，這個(gè)記錄放到名稱堆棧中， 稍后要被檢測選擇模式中用到的函數(shù) glSelectBuffer(): 指定名

23、稱緩沖區(qū) glInitNames(): 初始化名稱緩沖區(qū) glPushName(id): 把id放到名稱緩沖區(qū)中 glPopName(): 把名稱緩沖區(qū)頂部的名稱彈出 glLoadName(id): 取代在名稱緩沖區(qū)頂部的 名稱 id是由應(yīng)用程序設(shè)置，用以識(shí)別對象選擇模式的應(yīng)用 初始化名稱緩沖區(qū) 進(jìn)入選擇模式 (例如：應(yīng)用鼠標(biāo)) 顯示輸出場景，場景中對象具有用戶指定 的標(biāo)識(shí) 重新進(jìn)入正常的顯示輸出模式 該操作返回?fù)糁袑ο髠€(gè)數(shù) 檢查名稱緩沖區(qū)的內(nèi)容(擊中記錄) 擊中記錄包含id與深度信息選擇模式與選取 在選擇模式中不能進(jìn)行選取，因?yàn)檫@時(shí)在 視景體中的每個(gè)對象都會(huì)生成一個(gè)擊中記 錄 改變視圖參數(shù)，

24、使得只有靠近鼠標(biāo)指針的 對象位于新的視景體中 利用glutPickMatrix()應(yīng)用屏幕上的區(qū)域 在許多應(yīng)用程序中，屏幕采用簡單的矩形 分劃 例如：這時(shí)，相比于應(yīng)用選擇模式進(jìn)行選取而言，通過查看鼠標(biāo)位置，確定屏幕的區(qū)域就更簡單了通過另外的緩沖區(qū)和顏色進(jìn)行選取 對于很少數(shù)目的對象，可以給每個(gè)對象賦 以唯一的顏色(有時(shí)是在顏色索引模式中) 然后把場景輸入到不是前緩沖區(qū)的一個(gè)顏 色緩沖區(qū)中，這樣就不會(huì)看到顯示出來的 結(jié)果 然后獲到鼠標(biāo)位置，利用 glReadPixels()讀取緩沖區(qū)中的顏色 根據(jù)返回的顏色確定是哪個(gè)對象像素的寫入模式XOR寫入模式 缺省的寫入模式是直接用源像素取代目標(biāo)像素， 即d

25、=s 用這種方法不能繪制一條臨時(shí)直線，因?yàn)槲覀儾荒苡每?速簡單的方法恢復(fù)在臨時(shí)直線下面的內(nèi)容 排它型OR操作(XOR)：d = d s 相同值為0，不同值為1 (x y) y = x 因此如果應(yīng)用XOR模式畫一條直線，那么只要在原地再 畫一遍這條直線就可以刪除這條直線橡皮條式繪圖 切換到XOR寫入模式 繪制對象 利用第一次單擊鼠標(biāo)固定線段的一個(gè)端點(diǎn)，然后再利用 鼠標(biāo)移動(dòng)的回調(diào)函數(shù)連續(xù)更新第二個(gè)端點(diǎn) 每次鼠標(biāo)移動(dòng)的時(shí)候，重新一遍原來的直線從而刪除它， 然后再從固定的第一個(gè)端點(diǎn)到新的第二個(gè)端點(diǎn)之間畫一 條直線 最后切換回到正常的繪圖模式并繪制直線 也適用于其它對象：矩形、圓橡皮條型直線OpenGL中的邏輯操作 在兩位之間有16種可能的邏輯操作 OpenGL支持所有的這16種操作 必須首先啟動(dòng)邏輯操作 glEnable(GL_COLOR_LOGIC_OP) 然后選擇邏輯操作