本文共享自华为云社区《[Python图画处理] 二十七.OpenGL入门及制作根本图形（一）》，作者：eastmount。

一.OpenGL入门常识

1.什么是OpenGL

OpenGL(Open Graphics Library，译为“开放式图形库”) 是用于烘托2D、3D矢量图形的跨言语、跨渠道的运用程序编程接口（API）。这个接口由近350个不同的函数调用组成，用来制作从简略的图形元件到杂乱的三维景象。OpenGL常用于CAD、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。

OpenGL可用于设置所需的目标、图画和操作，以便开发交互式的3维核算机图形运用程序。OpenGL被设计为一个现代化的、硬件无关的接口，因此咱们能够在不考虑核算机操作体系或窗口体系的前提下，在多种不同的图形硬件体系上，或许彻底经过软件的方法完成OpenGL的接口。OpenGL的高效完成（利用了图形加速硬件）存在于Windows，部分UNIX渠道和Mac OS。这些完成一般由显现设备厂商供给，而且十分依赖于该厂商供给的硬件。

OpenGL规范由1992年成立的OpenGL架构评审委员会（ARB）保护。ARB由一些对创立一个一致的、遍及可用的API特别感兴趣的公司组成。到了今天已经发布了十分多的OpenGL版别，以及大量构建于OpenGL之上以简化运用程序开发进程的软件库。这些软件库大量用于视频游戏、科学可视化和医学软件的开发，或许只是用来显现图画。

一个用来烘托图画的OpenGL程序需求履行的主要操作如下：

从OpenGL的几许图元中设置数据，用于构建形状
运用不同的着色器（shader）对输入的图元数据履行核算操作，判断它们的方位、色彩，以及其他烘托特点
将输入图元的数学描绘转换为与屏幕方位对应的像素片元（fragment），这一步也称作光栅化（rasterization）
最终，针对光栅化进程发生的每个片元，履行片元着色器（fragment shader），然后决议这个片元的最终色彩和方位
假如有必要，还需求对每个片元履行一些额定的操作，例如判断片元对应的目标是否可见，或许将片元的色彩与当时屏幕方位的色彩进行融合

2.OpenGL装置

作者的电脑环境为Win10+Python3.7，打开CMD调用pip东西进行装置，如下图所示。

cd C:\Software\Program Software\Python37\Scripts
pip install pyopengl

但一般装置成功之后，运转代码会报错“OpenGL.error.NullFunctionError: Attempt to call an undefined function glutInit, check for bool(glutInit) before calling”。

据说是pip默许装置的是32位版别的pyopengl，而作者的操作体系是64位。网上许多大牛会去 “www.lfd.uci.edu/~gohlke/pyt… 网站下载适合自己的版别。比方Python3.7且64位操作体系。

装置流程如下所示：

pip install D:\PyOpenGL-3.1.5-cp37-cp37m-win_amd64.whl
pip install D:\PyOpenGL-3.1.5-cp37-cp37m-win32.whl

写到这里，咱们Python的OpenGL库就装置成功了！

二.OpenGL入门程序

咱们首先介绍两个入门代码，然后再进行深化的解说。

1.OpenGL制作正方形

完整代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *
# 制作图画函数
def display():
    # 铲除屏幕及深度缓存
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    # 设置赤色
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)
    # 开端制作四边形
    glBegin(GL_QUADS)
    # 制作四个极点
    glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.0)
    glVertex3f(0.5, -0.5, 0.0)
    glVertex3f(0.5, 0.5, 0.0)
    glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.0)
    # 完毕制作四边形
    glEnd()
    # 清空缓冲区并将指令送往硬件履行
    glFlush()
# 主函数
if __name__ == "__main__":
    # 运用glut库初始化OpenGL
    glutInit()
    # 显现方法 GLUT_SINGLE无缓冲直接显现|GLUT_RGBA选用RGB(A非alpha)
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    # 设置窗口方位巨细
    glutInitWindowSize(400, 400)
    # 创立窗口
    glutCreateWindow("eastmount")
    # 调用display()函数制作图画
    glutDisplayFunc(display)
    # 进入glut主循环
    glutMainLoop()

运转成果如下图所示：

中心过程如下：

主函数运用glut库初始化OpenGL
glutInit()
设置显现方法并初始化glut窗口（画布）
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
glutInitWindowSize(400, 400)
glutCreateWindow(“eastmount”)
注册制作图画的回调函数，如display()
glutDisplayFunc(display)
制作图画display函数，包含铲除画布、设置色彩、制作图元、设置定点、完毕制作、改写履行
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)
glBegin(GL_QUADS)
glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.0)
glVertex3f(0.5, -0.5, 0.0)
glVertex3f(0.5, 0.5, 0.0)
glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.0)
glEnd()
glFlush()
进入glut主循环
glutMainLoop()

2.OpenGL制作水壶

接着补充一段经典的水壶代码，一切核算机试卷、核算机图形学、3D图画范畴都会制作它。

# -*- coding: utf-8 -*-
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *
# 制作图画函数
def drawFunc():
    # 铲除屏幕及深度缓存
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    # 设置绕轴旋转(角度,x,y,z)
    glRotatef(0.1, 5, 5, 0)
    # 制作实心茶壶
    # glutSolidTeapot(0.5)
    # 制作线框茶壶
    glutWireTeapot(0.5)
    # 改写显现图画
    glFlush()
# 主函数
if __name__ == "__main__":
    # 运用glut库初始化OpenGL
    glutInit()
    # 显现方法 GLUT_SINGLE无缓冲直接显现|GLUT_RGBA选用RGB(A非alpha)
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    # 设置窗口方位及巨细
    glutInitWindowPosition(0, 0)
    glutInitWindowSize(400, 400)
    # 创立窗口
    glutCreateWindow("CSDN Eastmount")
    # 调用display()函数制作图画
    glutDisplayFunc(drawFunc)
    # 设置全局的回调函数
    # 当没有窗口事情到达时,GLUT程序功能能够履行后台处理任务或接连动画
    glutIdleFunc(drawFunc)
    # 进入glut主循环
    glutMainLoop()

运转成果如下图所示，它主要调用glutSolidTeapot(0.5)函数制作完成实心茶壶，glutWireTeapot(0.5)函数制作线框茶壶。

留意，glut供给了一些现成的制作立体的API，如glutWireSphere制作球、glutWireCone制作椎体、glutWireCube制作立体、glutWireTorus制作甜圈、glutWireTeapot制作茶壶、glutWireOctahedron制作八面体，请读者自行提高。

3.OpenGL制作多个图形

接下来制作一个坐标系，并别离制作四个图形，设置不同色彩，代码如下所示。

# -*- coding: utf-8 -*-
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *
# 制作图画函数
def display():
    # 铲除屏幕及深度缓存
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
    # 制作线段
    glBegin(GL_LINES)
    glVertex2f(-1.0, 0.0)       # 左下角极点
    glVertex2f(1.0, 0.0)        # 右下角极点
    glVertex2f(0.0, 1.0)        # 右上角极点
    glVertex2f(0.0, -1.0)       # 左上角极点
    glEnd()
    # 制作极点
    glPointSize(10.0)
    glBegin(GL_POINTS)
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)    # 赤色
    glVertex2f(0.3, 0.3)
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)    # 绿色
    glVertex2f(0.5, 0.6)
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)    # 蓝色
    glVertex2f(0.9, 0.9)
    glEnd()
    # 制作四边形
    glColor3f(1.0, 1.0, 0)
    glBegin(GL_QUADS)
    glVertex2f(-0.2, 0.2)
    glVertex2f(-0.2, 0.5)
    glVertex2f(-0.5, 0.5)
    glVertex2f(-0.5, 0.2)
    glEnd()
    # 制作多边形
    glColor3f(0.0, 1.0, 1.0)
    glPolygonMode(GL_FRONT, GL_LINE)
    glPolygonMode(GL_BACK, GL_FILL)
    glBegin(GL_POLYGON)
    glVertex2f(-0.5, -0.1)
    glVertex2f(-0.8, -0.3)
    glVertex2f(-0.8, -0.6)
    glVertex2f(-0.5, -0.8)
    glVertex2f(-0.2, -0.6)
    glVertex2f(-0.2, -0.3)
    glEnd()
    # 制作三角形
    glColor3f(1.0, 1.0, 1.0)
    glPolygonMode(GL_FRONT, GL_FILL)
    glPolygonMode(GL_BACK, GL_LINE)
    glBegin(GL_TRIANGLES)
    glVertex2f(0.5, -0.5)
    glVertex2f(0.3, -0.3)
    glVertex2f(0.2, -0.6)
    # 完毕制作四边形
    glEnd()
    # 清空缓冲区并将指令送往硬件履行
    glFlush()
# 主函数
if __name__ == "__main__":
    # 运用glut库初始化OpenGL
    glutInit()
    # 显现方法 GLUT_SINGLE无缓冲直接显现|GLUT_RGBA选用RGB(A非alpha)
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    # 设置窗口方位及巨细
    glutInitWindowSize(400, 400)
    glutInitWindowPosition(500, 300)
    # 创立窗口
    glutCreateWindow("CSDN Eastmount")
    # 调用display()函数制作图画
    glutDisplayFunc(display)
    # 进入glut主循环
    glutMainLoop()

输出成果如下图所示：

4.OpenGL绘图代码及原理详解

该部分将具体解说上面三段代码的中心常识，协助咱们稳固根底。作者让咱们先看代码及其运转作用，然后提高OpenGL编程兴趣，再深化分析其原理，这种倒叙的方法期望您们喜欢。

(1) 中心函数
上述代码中，以glut最初的函数都是GLUT东西包所供给的函数。

glutInit()：对GLUT进行初始化，该函数有必要在其它的GLUT运用之前调用一次。其格局比较死板，一般glutInit()直接调用即可。
glutInitDisplayMode()：设置显现方法，其间GLUT_RGB表明运用RGB色彩，与之对应的是GLUT_INDEX（表明运用索引色彩）；GLUT_SINGLE表明运用单缓冲，与之对应的是GLUT_DOUBLE（表明运用双缓冲）。更多参数请读者阅读官方网站或Google。
glutInitWindowPosition()：设置窗口在屏幕中的方位。
glutInitWindowSize()：设置窗口的巨细，两个参数表明长度和宽度。
glutCreateWindow()：依据当时设置的信息创立窗口，参数将作为窗口的标题。需求留意的是，当窗口被创立后，并不是当即显现到屏幕上，需求调用glutMainLoop()才干看到窗口。
glutDisplayFunc()：设置一个函数，当需求进行画图时，这个函数就会被调用，一般用来调用制作图形函数。
glutMainLoop()：进行一个音讯循环，咱们需求知道这个函数能够显现窗口，而且等待窗口封闭后才会返回。

以gl最初的函数都是OpenGL的规范函数。

glClear()：铲除，其间参数GL_COLOR_BUFFER_BIT表明铲除色彩，GL_DEPTH_BUFFER_BIT表明铲除深度。
glRectf()：画一个矩形，四个参数别离表明位于对角线上的两个点的横、纵坐标。
glFlush()：改写显现图画，保证前面的OpenGL指令当即履行，而不是让它们在缓冲区中等待。
OpenGL要求指定极点的指令（glVertex2f）有必要包含在glBegin()函数和glEnd()函数之间履行。

(2) 制作极点
极点（vertex）是 OpengGL 中十分重要的概念，描绘线段、多边形都离不开极点。它们都是以glVertex最初，后边跟一个数字和1~2个字母，比方：

glVertex2d
glVertex2f
glVertex3f
glVertex3fv

数字表明参数的个数，2表明有2个参数（xy坐标），3表明三个（xyz坐标），4表明四个（齐次坐标 w）。字母表明参数的类型，s表明16位整数（OpenGL中将这个类型界说为GLshort），i表明32位整数（OpenGL中将这个类型界说为GLint和GLsizei），f表明32为浮点数（OpenGL中将这个类型界说为GLfloat和GLclampf），d表明64位浮点数（OpenGL中将这个类型界说为GLdouble和GLclampd）。例如：

glVertex2i(1, 3)
glVertex2f(1.0, 3.0)
glVertex3f(1.0, 3.0, 1.0)
glVertex4f(1.0, 3.0, 0.0, 1.0)

留意，OpenGL中许多函数都选用这种方法命名。

(3) 设置色彩
在OpenGL中，设置色彩函数以glColor最初，后边跟着参数个数和参数类型。参数能够是0到255之间的无符号整数，也能够是0到1之间的浮点数。三个参数别离表明RGB分量，第四个参数表明透明度（其实叫不透明度更恰当）。以下最常用的两个设置色彩的方法：

glColor3f(1.0，0.0，0.0) #赤色
glColor3f(0.0，1.0，0.0) #绿色
glColor3f(0.0，0.0，1.0) #蓝色
glColor3f(1.0，1.0，1.0) #白色
glColor4f(0.0，1.0，0.0，0.0) #赤色且不透明度
glColor3ub(255, 0, 0) #赤色

留意，OpenGL是运用状况机方法，色彩是一个状况变量，设置色彩就是改变这个状况变量并一直生效，直到再次调用设置色彩的函数。除了色彩，OpenGL 还有许多的状况变量或方法。

(4) 制作根本图形
前面咱们介绍了各种图画，下表展示了常见的图画元件。

GL_POINTS：制作极点
GL_LINES：制作线段
GL_LINE_STRIP：制作接连线段
GL_LINE_LOOP：制作闭合的线段
GL_POLYGON：制作多边形
GL_TRIANGLES：制作三角形
GL_TRIANGLE_STRIP：制作接连三角形
GL_TRIANGLE_FAN：制作多个三角形组成的扇形
GL_QUADS：制作四边形
GL_QUAD_STRIP：制作接连四边形

详见下图所示。

三.OpenGL根底常识

在深化学习OpenGL之前，咱们有必要了解一些最常用的图形学名词、OpenGL原理和语法。

1.OpenGL语法

OpenGL程序的根本结构一般包含——初始化物体烘托所对应的状况、设置需求烘托的物体。烘托（render）表明核算机从模型创立最终图画的进程，OpenGL只是其间一种烘托体系。模型（model）或许场景目标是经过几许图元，比方点、线和三角形来构建的，而图元与模型的极点（vertex）也存在着各种对应的关系。

OpenGL另一个最实质的概念叫着色器，它是图形硬件设备所履行的一类特征函数。能够将着色器理解为专为图形处理单元（GPU）编译的一种小型程序。在OpenGL中，会用到一直不同的着色阶段（shader stage），最常用的包含极点着色器（vertex shader）以及片元着色器，前者用于处理极点数据，后者用于处理光栅化后的片元数据。一切的OpenGL程序都需求用到这两类着色器。最终生成的图画包含了屏幕上制作的一切像素点。像素（pixel）是显现器上最小的可见单元。核算机体系将一切的像素保存到帧缓存（framebuffer）傍边，后者是由图形硬件设备办理的一块独立内存区域，能够直接映射到最终的显现设备上。

正如前面您看到的，OpenGL库中一切的函数都会以字符“gl”作为前缀，然后是一个或许多个大写字母最初的词组，以此来指令一个完整的函数（例如glBindVertexArray()）。OpenGL的一切函数都是这种格局，上面看到的“glut”最初的函数，它们来自第三方库OpenGL Utility Toolkit（GLUT），能够用来显现窗口、办理用户输入以及履行其他一些操作。

与函数命名约定类似，OpenGL库中界说的常量也是GL_COLOR_BUFFER_BIT的方法，常量以GL_作为前缀，而且运用下划线来切割单词。这些常量的界说是经过#define来完成的，它们根本能够在OpenGL的头文件glcorearb.h和glext.h中找到。

为了能够方便地在不同的操作体系之间移植OpenGL程序，它还为函数界说了不同的数据类型，例如GLfloat是浮点数类型。此外，比方glVertex*()的函数，它有多种改变方法，如glVertex2d、glVertex2f。在函数称号的“中心”部分之后，经过后缀的改变来提示函数应当传入的参数，一般由一个数字和1~2个字母组成。glVertex2f()中的“2”表明需求传入2个参数，f表明浮点数。

2.旧式OpenGL vs 现代OpenGL

(1) 旧式OpenGL
在大多数核算机图形体系中，绘图的方法是将一些极点发送给处理管线，管线由一系列功能模块互相衔接而成。最近，OpenGL运用编程接口（API）从固定功能的图形管线转换为可编程的图形管线。

如下图制作正方形的代码，它运用的是旧式OpenGL，要为三维图元（在这个代码中，是一个GL_QUADS即矩形）指定各个极点，但随后每个极点需求被别离发送到GPU，这是低效的方法。 这种旧式编程方法伸缩性不好，假如几许图形变得杂乱，程序就会很慢。对于屏幕上的极点和像素如何改换，它只供给了有限的操控。

后续咱们将专注于现代的OpenGL，可是网络上也会有旧式OpenGL的比如。

(2) 现代OpenGL
现代OpenGL利用一系列的操作，即经过“三维图形管线”制作图形，其根本流程如下图所示。

简化三维图形管线分为6步：

三维几许图形界说（VBO等）。 在第一步，经过界说在三维空间中的三角形的极点，并指定每个极点相关联的色彩，咱们界说了三维几许图形。
极点着色器。 接下来，改换这些极点：第一次改换将这些极点放在三维空间中，第二次改换将三维坐标投影到二维空间。依据照明等因素，对应极点的色彩值也在这一步中核算，这在代码中一般称为“极点着色器”。
光栅化。 将几许图形“光栅化”（从几许物体转换为像素）。
片段着色器。 针对每个像素，履行另一个名为“片段着色器”的代码块。正如极点着色器作用于三维极点，片段着色器作用于光栅化后的二维像素。
帧缓冲区操作（深度测试、混合等）。 最终，像素经过一系列帧缓冲区操作，其间，它经过“深度缓冲区查验”（查看一个片段是否遮挡另一个）、“混合”（用透明度混合两个片段）以及其他操作，其当时的色彩与帧缓冲区中该方位已有的色彩结合。
帧缓冲区。 这些改变最终体现在最终的帧缓冲区上，一般显现在屏幕上。

PS：该部分参阅Mahesh Venkitachalam大神编写的《Python极客项目编程》，代码能够查看：github.com/electronut/…

3.OpenGL制作时钟

最终补充“xiaoge2016教师”的一段兴趣代码，经过OpenGL制作时钟，留意它是跳动的。

# -*- coding: utf-8 -*-
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *
import math
import time
h = 0
m = 0
s = 0
# 制作图画函数
def Draw():
    PI = 3.1415926
    R = 0.5
    TR = R - 0.05
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    glLineWidth(5)
    glBegin(GL_LINE_LOOP)
    for i in range(100):
        glVertex2f(R * math.cos(2 * PI / 100 * i), R * math.sin(2 * PI / 100 * i))
    glEnd()
    glLineWidth(2)
    for i in range(100):
        glBegin(GL_LINES)
        glVertex2f(TR * math.sin(2 * PI / 12 * i), TR * math.cos(2 * PI / 12 * i))
        glVertex2f(R * math.sin(2 * PI / 12 * i), R * math.cos(2 * PI / 12 * i))
        glEnd()
    glLineWidth(1)
    h_Length = 0.2
    m_Length = 0.3
    s_Length = 0.4
    count = 60.0
    s_Angle = s / count
    count *= 60
    m_Angle = (m * 60 + s) / count
    count *= 12
    h_Angle = (h * 60 * 60 + m * 60 + s) / count
    glLineWidth(1)
    glBegin(GL_LINES)
    glVertex2f(0.0, 0.0)
    glVertex2f(s_Length * math.sin(2 * PI * s_Angle), s_Length * math.cos(2 * PI * s_Angle))
    glEnd()
    glLineWidth(5)
    glBegin(GL_LINES)
    glVertex2f(0.0, 0.0)
    glVertex2f(h_Length * math.sin(2 * PI * h_Angle), h_Length * math.cos(2 * PI * h_Angle))
    glEnd()
    glLineWidth(3)
    glBegin(GL_LINES)
    glVertex2f(0.0, 0.0)
    glVertex2f(m_Length * math.sin(2 * PI * m_Angle), m_Length * math.cos(2 * PI * m_Angle))
    glEnd()
    glLineWidth(1)
    glBegin(GL_POLYGON)
    for i in range(100):
        glVertex2f(0.03 * math.cos(2 * PI / 100 * i), 0.03 * math.sin(2 * PI / 100 * i));
    glEnd()
    glFlush()
# 更新时间函数
def Update():
    global h, m, s
    t = time.localtime(time.time())
    h = int(time.strftime('%H', t))
    m = int(time.strftime('%M', t))
    s = int(time.strftime('%S', t))
    glutPostRedisplay()
# 主函数
if __name__ == "__main__":
    glutInit()
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    glutInitWindowSize(400, 400)
    glutCreateWindow("My clock")
    glutDisplayFunc(Draw)
    glutIdleFunc(Update)
    glutMainLoop()

其运转成果如下图所示：

四.总结

本篇文章主要解说Python和OpenGL根底常识，包含装置、根底语法、制作图形等。期望对读者有一定协助，也期望这些常识点为读者从事Python图画处理相关项目实践或科学研究供给一定根底。

参阅文献：

[1] 《OpenGL编程指南（第8版）》作者：Dave Shreiner Granham Sellers等，王锐译
[2] 《Python极客项目编程》作者：Mahesh Venkitachalam，王海鹏译
[3] 《OpenGL编程精粹》杨柏林陈根浪徐静编著
[4] 写给 python 程序员的 OpenGL 教程 – 许教师(天元浪子)
[5] Python之OpenGL笔记(2)：现代OpenGL编程常用的几个通用函数 – 大龙教师
[6] python3+OpenGL环境配置 – GraceSkyer教师
[7] VS2012下基于Glut OpenGL显现一些立体图形示例程序 – yearafteryear教师
[8] Python——OpenGL – 白季飞龙教师
[9] python+opengl显现三维模型小程序 – xiaoge2016
[10] github.com/electronut/…

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跟我学Python图像处理丨带你入门OpenGL

一.OpenGL入门常识

1.什么是OpenGL

2.OpenGL装置

二.OpenGL入门程序

1.OpenGL制作正方形

2.OpenGL制作水壶

3.OpenGL制作多个图形

4.OpenGL绘图代码及原理详解

三.OpenGL根底常识

1.OpenGL语法

2.旧式OpenGL vs 现代OpenGL

3.OpenGL制作时钟

四.总结

作者信息

跟我学Python图像处理丨带你入门OpenGL

一.OpenGL入门常识

1.什么是OpenGL

2.OpenGL装置

二.OpenGL入门程序

1.OpenGL制作正方形

2.OpenGL制作水壶

3.OpenGL制作多个图形

4.OpenGL绘图代码及原理详解

三.OpenGL根底常识

1.OpenGL语法

2.旧式OpenGL vs 现代OpenGL

3.OpenGL制作时钟

四.总结

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