NeHe OpenGL教程 第十课：3D世界

转自【翻译】NeHe OpenGL 教程

前言

声明，此 NeHe OpenGL教程系列文章由51博客yarin翻译（2010-08-19），本博客为转载并稍加整理与修改。对NeHe的OpenGL管线教程的编写，以及yarn的翻译整理表示感谢。

 

NeHe OpenGL第十课：3D世界

 

加载3D世界，并在其中漫游:

在这一课中，你将学会如何加载3D世界，并在3D世界中漫游。这一课使用第一课的代码，当然在课程说明中我只介绍改变了代码。

这一课是由Lionel Brits (βtelgeuse)所写的。在本课中我们只对增加的代码做解释。当然只添加课程中所写的代码，程序是不会运行的。如果您有兴趣知道下面的每一行代码是如何运行的话，请下载完整的源码

，并在浏览这一课的同时，对源码进行跟踪。
好了现在欢迎来到名不见经传的第十课。到现在为止，您应该有能力创建一个旋转的立方体或一群星星了，对3D编程也应该有些感觉了吧？但还是请等一下！不要立马冲动地要开始写个Quake
IV，好不好...:)。只靠旋转的立方体还很难来创造一个可以决一死战的酷毙了的对手....:)。现在这些日子您所需要的是一个大一点的、更复杂些的、动态3D世界，它带有空间的六自由度和花哨的效果如镜像、入口

、扭曲等等，当然还要有更快的帧显示速度。这一课就要解释一个基本的3D世界"结构"，以及如何在这个世界里游走。

数据结构

当您想要使用一系列的数字来完美的表达3D环境时，随着环境复杂度的上升，这个工作的难度也会随之上升。出于这个原因，我们必须将数据归类,使其具有更多的可操作性风格。在程序清单头部出现了sector(区段)

的定义。每个3D世界基本上可以看作是sector(区段)的集合。一个sector(区段)可以是一个房间、一个立方体、或者任意一个闭合的区间。 

typedef struct tagSECTOR      // 创建Sector区段结构
{
 int numtriangles;      // Sector中的三角形个数
 TRIANGLE* triangle;      // 指向三角数组的指针
} SECTOR;        // 命名为SECTOR

一个sector(区段)包含了一系列的多边形，所以下一个目标就是triangle(我们将只用三角形，这样写代码更容易些)。 
  
typedef struct tagTRIANGLE      // 创建Triangle三角形结构
{
 VERTEX vertex[3];      // VERTEX矢量数组，大小为3
} TRIANGLE;        // 命名为 TRIANGLE

三角形本质上是由一些(两个以上)顶点组成的多边形，顶点同时也是我们的最基本的分类单位。顶点包含了OpenGL真正感兴趣的数据。我们用3D空间中的坐标值(x,y,z)以及它们的纹理坐标(u,v)来定义三角形的每

个顶点。 
  
typedef struct tagVERTEX      // 创建Vertex顶点结构
{
 float x, y, z;       // 3D 坐标
 float u, v;       // 纹理坐标
} VERTEX;        // 命名为VERTEX

 

载入文件

在程序内部直接存储数据会让程序显得太过死板和无趣。从磁盘上载入世界资料，会给我们带来更多的弹性，可以让我们体验不同的世界，而不用被迫重新编译程序。另一个好处就是用户可以切换世界资料并修改它们而

无需知道程序如何读入输出这些资料的。数据文件的类型我们准备使用文本格式。这样编辑起来更容易，写的代码也更少。等将来我们也许会使用二进制文件。

问题是，怎样才能从文件中取得数据资料呢？首先，创建一个叫做SetupWorld()的新函数。把这个文件定义为filein，并且使用只读方式打开文件。我们必须在使用完毕之后关闭文件。大家一起来看看现在的代码：

// 先前的定义： char* worldfile = "data\\world.txt";
void SetupWorld()       // 设置我们的世界
{
 FILE *filein;       // 工作文件
 filein = fopen(worldfile, "rt");    // 打开文件

 ...
 (读入数据资料))
 ...

 fclose(filein);       // 关闭文件
 return;        // 返回
}

下一个挑战是将每个单独的文本行读入变量。这有很多办法可以做到。一个问题是文件中并不是所有的行都包含有意义的信息。空行和注释不应该被读入。我们创建了一个叫做readstr()的函数。这个函数会从数据文

件中读入一个有意义的行至一个已经初始化过的字符串。下面就是代码：
 
void readstr(FILE *f,char *string)     //  读入一个字符串

{
 do        // 循环开始
 {
  fgets(string, 255, f);     // 读入一行
 } while ((string[0] == '/') || (string[0] == '\n'));  // 考察是否有必要进行处理
 return;        // 返回
}

下一步我们读入区段数据。这一课将只处理一个区段，不过实现一个多区段引擎也很容易。让我们将注意力转回SetupWorld()。程序必须知道区段内包含了多少个三角形。我们在数据文件中以下面这种形式定义三角形

数量：
接下来是读取三角形数量的代码： 
  
int numtriangles;       // 区段中的三角形数量
char oneline[255];       // 存储数据的字符串
...
readstr(filein,oneline);      // 读入一行数据
sscanf(oneline, "NUMPOLLIES %d\n", &numtriangles);   // 读入三角形数量

余下的世界载入过程采用了相似的方法。接着，我们对区段进行初始化，并读入部分数据： 
  
// 先前的定义: SECTOR sector1;
char oneline[255];       // 存储数据的字符串
int numtriangles;       // 区段的三角形数量
float x, y, z, u, v;       // 3D 和 纹理坐标
...
sector1.triangle = new TRIANGLE[numtriangles];    // 为numtriangles个三角形分配内存并设定指针
sector1.numtriangles = numtriangles;     // 定义区段1中的三角形数量
// 遍历区段中的每个三角形
for (int triloop = 0; triloop < numtriangles; triloop++)  // 遍历所有的三角形
{
 // 遍历三角形的每个顶点
 for (int vertloop = 0; vertloop < 3; vertloop++)  // 遍历所有的顶点
 {
  readstr(filein,oneline);    // 读入一行数据
  // 读入各自的顶点数据
  sscanf(oneline, "%f %f %f %f %f", &x, &y, &z, &u, &v);
  // 将顶点数据存入各自的顶点
  sector1.triangle[triloop].vertex[vertloop].x = x; // 区段 1,  第 triloop 个三角形, 第  vertloop 个顶点, 值 x =x
  sector1.triangle[triloop].vertex[vertloop].y = y; // 区段 1,  第 triloop 个三角形, 第  vertloop 个顶点, 值 y =y
  sector1.triangle[triloop].vertex[vertloop].z = z; // 区段 1,  第 triloop 个三角形, 第  vertloop 个顶点, 值  z =z
  sector1.triangle[triloop].vertex[vertloop].u = u; // 区段 1,  第 triloop 个三角形, 第  vertloop 个顶点, 值  u =u
  sector1.triangle[triloop].vertex[vertloop].v = v; // 区段 1,  第 triloop 个三角形, 第  vertloop 个顶点, 值  e=v
 }
}

数据文件中每个三角形都以如下形式声明:
X1 Y1 Z1 U1 V1
X2 Y2 Z2 U2 V2
X3 Y3 Z3 U3 V3

显示世界

现在区段已经载入内存，我们下一步要在屏幕上显示它。到目前为止，我们所作过的都是些简单的旋转和平移。但我们的镜头始终位于原点(0，0，0)处。任何一个不错的3D引擎都会允许用户在这个世界中游走和遍历，

我们的这个也一样。实现这个功能的一种途径是直接移动镜头并绘制以镜头为中心的3D环境。这样做会很慢并且不易用代码实现。我们的解决方法如下：
根据用户的指令旋转并变换镜头位置。
围绕原点，以与镜头相反的旋转方向来旋转世界。(让人产生镜头旋转的错觉)
以与镜头平移方式相反的方式来平移世界(让人产生镜头移动的错觉)。
这样实现起来就很简单.
下面从第一步开始吧(平移并旋转镜头)。

if (keys[VK_RIGHT])       // 右方向键按下了么?
{
 yrot -= 1.5f;       // 向左旋转场景
}

if (keys[VK_LEFT])       // 左方向键按下了么?
{
 yrot += 1.5f;       // 向右侧旋转场景
}

if (keys[VK_UP])       // 向上方向键按下了么?
{
 xpos -= (float)sin(heading*piover180) * 0.05f;   // 沿游戏者所在的X平面移动
 zpos -= (float)cos(heading*piover180) * 0.05f;   // 沿游戏者所在的Z平面移动
 if (walkbiasangle >= 359.0f)     // 如果walkbiasangle大于359度
 {
  walkbiasangle = 0.0f;     // 将 walkbiasangle 设为0
 }
 else        // 否则
 {
   walkbiasangle+= 10;     // 如果 walkbiasangle < 359 ，则增加 10
 }
 walkbias = (float)sin(walkbiasangle * piover180)/20.0f;  // 使游戏者产生跳跃感
}

if (keys[VK_DOWN])       // 向下方向键按下了么？
{
 xpos += (float)sin(heading*piover180) * 0.05f;   // 沿游戏者所在的X平面移动
 zpos += (float)cos(heading*piover180) * 0.05f;   // 沿游戏者所在的Z平面移动
 if (walkbiasangle <= 1.0f)     // 如果walkbiasangle小于1度
 {
  walkbiasangle = 359.0f;     // 使 walkbiasangle 等于 359
 }
 else        // 否则
 {
  walkbiasangle-= 10;     // 如果 walkbiasangle > 1 减去 10
 }
 walkbias = (float)sin(walkbiasangle * piover180)/20.0f;  // 使游戏者产生跳跃感
}

这个实现很简单。当左右方向键按下后，旋转变量yrot
相应增加或减少。当前后方向键按下后，我们使用sine和cosine函数重新生成镜头位置(您需要些许三角函数学的知识:-)。Piover180
是一个很简单的折算因子用来折算度和弧度。
接着您可能会问：walkbias是什么意思？这是NeHe的发明的单词:-)。基本上就是当人行走时头部产生上下摆动的幅度。我们使用简单的sine正弦波来调节镜头的Y轴位置。如果不添加这个而只是前后移动的话，程序

看起来就没这么棒了。
现在，我们已经有了下面这些变量。可以开始进行步骤2和3了。由于我们的程序还不太复杂，我们无需新建一个函数，而是直接在显示循环中完成这些步骤。 
  
int DrawGLScene(GLvoid)       // 绘制 OpenGL 场景
{
 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);  // 清除 场景 和 深度缓冲
 glLoadIdentity();      // 重置当前矩阵

 GLfloat x_m, y_m, z_m, u_m, v_m;    // 顶点的临时 X, Y, Z, U 和 V 的数值
 GLfloat xtrans = -xpos;      // 用于游戏者沿X轴平移时的大小
 GLfloat ztrans = -zpos;      // 用于游戏者沿Z轴平移时的大小
 GLfloat ytrans = -walkbias-0.25f;    // 用于头部的上下摆动
 GLfloat sceneroty = 360.0f - yrot;    // 位于游戏者方向的360度角

 int numtriangles;      // 保有三角形数量的整数

 glRotatef(lookupdown,1.0f,0,0);     // 上下旋转
 glRotatef(sceneroty,0,1.0f,0);     // 根据游戏者正面所对方向所作的旋转

 glTranslatef(xtrans, ytrans, ztrans);    // 以游戏者为中心的平移场景
 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[filter]);   // 根据 filter 选择的纹理

 numtriangles = sector1.numtriangles;    // 取得Sector1的三角形数量

 // 逐个处理三角形
 for (int loop_m = 0; loop_m < numtriangles; loop_m++)  // 遍历所有的三角形
 {
  glBegin(GL_TRIANGLES);     // 开始绘制三角形
   glNormal3f( 0.0f, 0.0f, 1.0f);   // 指向前面的法线
   x_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[0].x; // 第一点的 X 分量
   y_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[0].y; // 第一点的 Y 分量
   z_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[0].z; // 第一点的 Z 分量
   u_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[0].u; // 第一点的 U  纹理坐标
   v_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[0].v; // 第一点的 V  纹理坐标
   glTexCoord2f(u_m,v_m); glVertex3f(x_m,y_m,z_m); // 设置纹理坐标和顶点

   x_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[1].x; // 第二点的 X 分量
   y_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[1].y; // 第二点的 Y 分量
   z_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[1].z; // 第二点的 Z 分量
   u_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[1].u; // 第二点的 U  纹理坐标
   v_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[1].v; // 第二点的 V  纹理坐标
   glTexCoord2f(u_m,v_m); glVertex3f(x_m,y_m,z_m); // 设置纹理坐标和顶点

   x_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[2].x; // 第三点的 X 分量
   y_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[2].y; // 第三点的 Y 分量
   z_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[2].z; // 第三点的 Z 分量
   u_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[2].u; // 第二点的 U  纹理坐标
   v_m = sector1.triangle[loop_m].vertex[2].v; // 第二点的 V  纹理坐标
   glTexCoord2f(u_m,v_m); glVertex3f(x_m,y_m,z_m); // 设置纹理坐标和顶点
  glEnd();      // 三角形绘制结束
 }
 return TRUE;       // 返回
}
原文及其个版本源代码下载：

http://nehe.gamedev.net/data/lessons/lesson.asp?lesson=10