OpenGL植物建模（附完整代码、注释清晰、分步讲解）

1、成果
2、myInit初始化函数
3、加载纹理数据
4、打开光照和材质
5、显示列表封装绘制函数
- 5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干
- 5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵
- 5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接
- 5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板
6、投影变换
7、封装树的绘制函数
8、键盘响应函数&照相机的移动
9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系

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1、成果

2、myInit初始化函数

该函数中是一个初始化环境的函数，负责开启深度测试、自动法向、加载纹理数据、调用光照函数、材质设置以及调用生成列表函数。

void myInit() {glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);glDisable(GL_CULL_FACE);//自动法向防止变形glEnable(GL_NORMALIZE);glEnable(GL_DEPTH_TEST);//输入的深度值小于参考值，则通过glDepthFunc(GL_LESS);//纹理载入……//打开纹理glEnable(GL_TEXTURE_2D);//调用打开光照函数……//调用设置材质函数……//调用显示列表函数……
}

3、加载纹理数据

在myInit函数中设计for循环，依次图片路径数组读取图片，并依次加载进纹理数组中并分配编号，供后续贴图使用。每个编号均使用宏定义，更语义化。同时使用auxDIBImageLoad读取图片的宽高以及数据，不过VS2019中需要对图片路径字符转换为宽字符才能使用。

for (int i = 0; i < 9; i++) {//生成纹理编号glGenTextures(1, &ImagesIDs[i]);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[i]);WCHAR wfilename[256];memset(wfilename, 0, sizeof(wfilename));//该函数映射一个字符串到一个宽字符（unicode）的字符串MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, szFiles[i], strlen(szFiles[i]) + 1, wfilename, sizeof(wfilename) / sizeof(wfilename[0]));Images[i] = auxDIBImageLoad(wfilename);  //加载图片//Images[i] = auxDIBImageLoadA(szFiles[i]);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, Images[i]->sizeX, Images[i]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, Images[i]->data);//纹理被放大（一个纹元对应多个像素）//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);//纹理被缩小（多个纹元对应一个像素）//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);//纹理第一维坐标大于1小于0时，表现为裁剪glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);//纹理第二维坐标大于1小于0时，表现为裁剪glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);//纹理环境//直接使用纹理图片替换glTexEnvf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);}

4、打开光照和材质

设置光照和材质的函数都比较常规。在光照函数mySetupLights中，要设置环境光为白色，同时光源的位置中，最后一个参数为0，这样的光就是平行的光，更能模拟自然的太阳。

//灯光参数
void mySetupLights() {//环境光：白色的太阳光GLfloat ambientLight[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };//glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);//光源的颜色与物体的颜色值相乘（叉乘）GLfloat diffuseLight[] = { 0.9, 0.9, 0.9, 1.0 };  //散射光//镜面光:白色GLfloat specularLight[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };//阳光，模拟平行,第四个参数为0.0，定义相应的光源是定向光源,光线几乎是互相平行GLfloat posLight[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 };GLfloat local_view[] = { 0.0 };//平滑模式glShadeModel(GL_SMOOTH);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambientLight);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuseLight);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specularLight);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, posLight);glEnable(GL_LIGHT0);//镜面反射角度glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);
}//材质相关函数
void myMaterial() {glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);//物体对各种光的强度GLfloat mat_ambient[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };GLfloat mat_diffuse[] = { 0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };GLfloat env_ambient[] = { 0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };GLfloat mat_shinness[] = { 50.0 };glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shinness);//全局设置整个场景的环境光强度glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, env_ambient);
}

5、显示列表封装绘制函数

把绘制模型的函数，通过显示列表封装在myCreateList函数中，并提前在myInit函数中加载好，后续会在myTree函数中反复调用生成模型。每一个显示列表都用使用了glPushMatrix与glPopMatrix，这样所作变换操作就不会影响下一个变换，有些列表还使用了glPushAttrib与glPopAttrib，保证顶点处理时候的一些属性不影响后续顶点。

void myCreateList(void) {//创建树干绘制显示列表glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);……//保护现场，不污染其他绘制glPushMatrix();……glPopMatrix();//删除曲面glEndList();//创建花朵绘制显示列表，八个大部分glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);glPushMatrix();//保护花朵的颜色等属性不污染其他绘制glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);……glPopAttrib();glPopMatrix();glEndList();//花朵和树干连接glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);glPushMatrix();glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);
……glPopAttrib();glPopMatrix();glEndList();//地板的显示列表glNewList(LAND, GL_COMPILE);glPushMatrix();……glPopMatrix();glEndList();//天空盒的显示列表glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE); glPushMatrix();……glPopMatrix();glEndList();
}

5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干

通过gluNewQuadric函数可以绘制出底大顶小的圆柱体，但是需要注意的是默认绘制的圆柱轴与世界坐标系中z轴是平行的，如图8中的Ⅰ，所以在树干进行旋转变换（所有的模型变换都是基于局部坐标系）glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0)。这个时候树干在坐标系中效果为图8-Ⅲ、图8-Ⅳ。
图8 树干局部坐标系的变换

//创建树干绘制显示列表glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);//二次曲面 cylquad = gluNewQuadric();//绑定纹理glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[0]);//二次曲面绑定纹理gluQuadricTexture(cylquad, GL_TRUE);//保护现场glPushMatrix();//默认绘制的圆柱轴与z轴平行glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0);//绘制圆柱gluCylinder(cylquad, 0.1, 0.08, 1.7, 10, 10);glPopMatrix();//删除曲面gluDeleteQuadric(cylquad);
glEndList();

5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵

使用在线抠图网站，把模型描边（图9）扣出来。使用ppt，让坐标系图片与模型描边叠值（图10），人工读取花瓣特征坐标。为了贴图方便每一朵花瓣都切割为多个四边形，根据每片花瓣的长势，最少划分为2部分，最后划分为5部分。

//创建花朵绘制显示列表，八个大部分glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);glPushMatrix();//保护花朵的颜色glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[1]);//粉色glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);glBegin(GL_QUADS); //part1-1glTexCoord2f(0.0, 0.22); glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);glTexCoord2f(0.6, 0.044); glVertex3f(0.30, -0.09, 0.0);glTexCoord2f(0.8, 0.22); glVertex3f(0.44, 0.0, 0.0);glTexCoord2f(1.0, 1.0);  glVertex3f(0.46, 0.19, 0.0);glEnd();glBegin(GL_QUADS); //part1-2……glEnd();glBegin(GL_QUADS); //part2-1……glEnd();//省略了很多，详情见工程文件…………glBegin(GL_QUADS);//part8-5……glEnd();glPopAttrib();glPopMatrix();glEndList();

图11 绘制的花朵

5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接

从这里开始就体现了glPushMatrix与glPopMatrix的作用。因为绘制树干与花朵都是各自的glPushMatrix与glPopMatrix中，则树干与花朵都是基于世界坐标系（0，0，0）建模。在封装花朵与树干的连接的时候，先绘制树干，然后进行glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0)把花朵的局部坐标系向y轴平移1.7个单位，这个时候花朵才是在树干头顶开始绘制。坐标系如图12、13、14。

//花朵和树干连接glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);glPushMatrix();glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);glCallList(TRUNK);glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);glPushMatrix();glRotatef(90, 0.0, 1.0, 0.0);glRotatef(50, 1.0, 0.0, 0.0);glCallList(FLOWER);glPopMatrix();glPushMatrix();glRotatef(180, 0.0, 1.0, 0.0);glRotatef(60, 1.0, 0.0, 0.0);glCallList(FLOWER);glPopMatrix();glPopAttrib();glPopMatrix();glEndList();

图12花朵未平移图图13 花朵平移后图

图14 花朵平移坐标系示意图

5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板

天空盒就是一个正六面体，然后按照顺序贴图。地板就是一块平行于世界坐标系的x0y面的正方形区域

//天空盒的显示列表glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE); //天空背景glPushMatrix();glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[3]);/** 绘制背面 */glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);glEnd();glPopMatrix();/** 绘制前面 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[4]);glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);glEnd();/** 绘制底面 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[5]);glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, -10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);glEnd();/** 绘制顶面 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[6]);glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, 10, 10);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);glEnd();/** 绘制左面 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[7]);glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);glEnd();///** 绘制右面 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[8]);glBegin(GL_QUADS);/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);glEnd();glEndList();}//地板的显示列表glNewList(LAND, GL_COMPILE);glPushMatrix();glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[2]);glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2d(0.0, 0.0);   glVertex3f(10, 0, 10);glTexCoord2d(1.0, 0.0);   glVertex3f(10, 0, -10);glTexCoord2d(1.0, 1.0);   glVertex3f(-10, 0, -10);glTexCoord2d(0.0, 1.0);   glVertex3f(-10, 0, 10);glEnd();glPopMatrix();glEndList()

6、投影变换

gluPerspective函数2个功能：一是产生一个视锥体让平面的图形开始有立体感，在世界坐标系中的z轴上平移时候有近大远小的变化。另外一个就是窗口发生变化时候，计算新的窗口的宽高比进行重绘视口，这样保证图形不变形。同时注意，变换之后，一定要变换回模型坐标系，以便正确接下来的模型绘制与变换。

//防止窗口变形函数
void myOnReshape(int w, int h) {WinWidth = w;WinHeight = h;glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluPerspective(60.0, (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1, 30.0);//恢复为模型变换的矩阵，当然也可以写在myDisplay中glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();
}

7、封装树的绘制函数

树的绘制函数是本次实验中建模的关键。采用递归思想，对函数进行封装，先写好只有一个树干，一朵花的函数（图13）。通过反复调用该函数生成若干个枝条，在正确进行拼接，最终得到一颗完整的树。三个要点：
 每段枝条都是生长在前一段枝条的末端
 每段枝条比前一条细
 花朵有大有小
if语句块决定递归的深度，以及正真的调用绘制。else语句块决定随机的模型变换矩阵，通过递归变换矩阵会随函数调用栈逐步相乘，最终起到逐步缩小枝条、缩小花朵、后一段枝条与前一段枝条的拼接的3大效果。

//生成树的函数
void myTree(int m) {long savedseed;//结束递归的标志//数字越大，枝条越细，也越多if (m == 8) {glPushMatrix();glRotatef(60.0 + myRand() * 120.0, 0.0, 1.0, 0.0);//正真的开始绘制树枝和连接处glCallList(FLOWERANDTRUNK);glPopMatrix();}else {//这里面只是决定递归的层数//调用树干glCallList(TRUNK);glPushMatrix();//把局部坐标系移到木桩的顶部开始glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);//绘制的花都很大，都缩小点glScalef(0.75, 0.75, 0.75);//生成随机数savedseed = rand();//递归调用glPushMatrix();//随机绕y轴旋转，表现形式就是屏幕平面上旋转（左升右下）glRotatef(10.0 + myRand() * 10.0, 0.0, 1.0, 0.0);//随机绕z轴旋转，表现形式往屏幕外面旋转glRotatef(20.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);//结束递归调用myTree(m + 1);glPopMatrix();//初始化新的随机数种子seedsrand(savedseed);savedseed = rand();//被包裹在最开始的push与pop中，缩放效果的到叠加glPushMatrix();//随机绕y轴旋转，表现形式就是屏幕平面上旋转（左升右下）glRotatef(250.0 + myRand() * 80.0, 0.0, 1.0, 0.0);glRotatef(60.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);myTree(m + 1);glPopMatrix();//让随机数更随机一点srand(savedseed);savedseed = rand();glPushMatrix();glRotatef(180.0 + myRand() * 90.0, 0.0, 1.0, 0.0);glRotatef(30.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);myTree(m + 1);glPopMatrix();glPopMatrix();}
}

8、键盘响应函数&照相机的移动

通过绑定键盘按键和变量，控制照相机在世界坐标系中的位置，达到移动效果。完成上面代码后，运行编译，发现绘制的树太高了，超出屏幕上方看不见了，这个时候使用glPushMatrix与glPopMatrix对树与地板在他们的局部坐标系中往y轴与z轴方向平移。使的树与地板相对世界坐标系或者投影坐标系中往下与往后移动，得以看到树的全貌。

//myDisplay中调用绘制函数
void myDisplay(void) {//清除颜色缓冲和深度缓冲glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//摄像机位置gluLookAt(g_LandR, g_UandD, g_Z, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);//绘制树的时候，打开光照glEnable(GL_LIGHTING);//只想让树平移，而不想影响天空盒glPushMatrix();//相对世界坐标系的左右，前后，上下glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);//绘制树myTree(0);//绘制土地glCallList(LAND);glPopMatrix();glDisable(GL_LIGHTING);  //绘制天空背景的时候，关闭光照glCallList(SKYBOX);//交换缓冲glutSwapBuffers();
}//键盘控制交互
void myKey(unsigned char key, int x, int y) {switch (key) {case 'w':g_UandD += 0.1;glutPostRedisplay();break;case 's':g_UandD -= 0.1;glutPostRedisplay();break;case 'a':g_LandR -= 0.1;glutPostRedisplay();break;case 'd':g_LandR += 0.1;glutPostRedisplay();break;case 'q':g_Z += 0.1;glutPostRedisplay();break;case 'e':g_Z -= 0.1;break;default:break;}//重要myOnReshape(WinWidth,WinHeight);glutPostRedisplay();
}

9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系

所有代码完成后，并注释myDisplay函数中的这条glTranslatef语句后。所有代码之后造成的坐标系为图15。注意这个图是从计算机屏幕右侧面绘制的

//只想让树平移，而不想影响天空盒glPushMatrix();//相对世界坐标系的左右，前后，上下//glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);//绘制树myTree(0);//绘制土地glCallList(LAND);glPopMatrix();

图15 建模后的坐标系与投影变换