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伴随资源

一、说明

在本教程中，我们将编写一个小型 Python 脚本，该脚本在 GUI 中呈现一个立方体，并使用滑块来控制其旋转。这将基于其他教程，即本教程，但会更详细地解释该过程和一般 OpenGL 概念。您可以在此处下载完整的脚本。

二、 PyQt4

有许多不同的框架用于在 python 中创建 GUI - 内置选项是TkInter，它提供了跨平台Tk GUI 工具包的包装器，该工具包具有简单的学习曲线并且适用于小型应用程序，但是流行的现代跨平台-平台解决方案是Qt。

Qt 的 python 端口称为 PyQt，有两个最新版本 - PyQt4 和 PyQt5 - 可以安装在 python 2 或 3 中。由于已经存在许多使用 PyQt4 的教程，而且核心库似乎很多版本之间相同，我们将使用 PyQt4。

这个包可以安装在linux上

apt-get install python-qt4
如果您使用的是 Windows，则与许多其他 python 包一样，您可以使用从Unofficial Windows Binaries for Python Extension Packages pagepip install下载的 python 轮来安装 PyQt4 。如果您更喜欢从源代码构建，请参阅本指南。

三、PyOpenGL

还有许多不同的库可用于在 python 中创建 3D 图形，但最常见的跨平台解决方案是 OpenGL - 特别是使用PyOpenGL包装器。您应该能够pip install pyopengl在 Linux 上轻松安装它，或者再次使用此处pip install下载的轮子进行安装。在 Ubuntu 16.04 上，我发现我必须使用而不是 ‘’‘pip’‘’

apt-get install python-qt4-gl
PyQt 在其QtOpenGL模块中使用与 PyOpenGL 相同的系统安装，以提供特殊的 OpenGL QWidget，从而可以轻松进行交互。下面详细介绍这一点。

四、OpenGL 管线

请注意，我们将在此处使用的 OpenGL 功能主要是固定功能管道的一部分，实际上在 OpenGL 3.0 之后已弃用，转而使用可编程（基于着色器）管道，该管道利用现代 GPU 并行性来高效渲染。不幸的是，网络上的大多数教程都使用已弃用的管道，而且它也恰好是我使用旧模拟器所习惯的管道。稍后我可能会尝试将所有内容切换到所谓的现代 OpenGL，但现在这里有一篇很好的读物，它用简单的术语解释了这些差异。

五、Python集成开发环境

在我们深入研究使用 Qt + OpenGL 创建简单应用程序的示例之前，您可能想知道使用哪些工具在 Python 中进行开发。有很多、很多、很多文章专门讨论这一点，其细节比我所能提供的要详细得多，但我想说的是，通过一些工作，好的 ol’ Emacs 可以变成一个很棒的轻量级 IDE（因为所有涉及 Emacs 的东西都需要），好处是，如果您已经使用 Emacs 处理其他事情，它可以很好地集成到您的工作流程中。下面我将详细介绍我的 Emacs 设置。

如果您要从 Matlab 过渡到 Python 并寻找类似的工具，Spyder是一个不错的选择，并且与一些 Python 发行版中的其他工具配合使用。在使用 JetBrains 的 CLion 进行 C/C++ 开发后，我很想尝试PyCharm，我听说过它很棒（不过，除非您是学生，否则它不是免费的）。

5.1 Emacs配置

Emacs 生态系统中有很多用于 Python 开发的优秀软件包，但我最近对​​Elpy很感兴趣；您可以在这里了解更多信息。要让 Elpy 使用 python3 而不是 python2，请查看此线程以获取说明。

Elpy 内置了一些很棒的功能，例如自动完成，但您可能希望使用其他一些软件包来扩展它。要查看当前集成的内容，请打开 Emacs 并运行M-x elpy-config，这将为您提供一个小界面来检查已安装的内容。如果您想进一步进行设置，您可以按照这个很棒的指南来启用 Flyspell 以获得更好的语法检查等。

非常重要的是，Elpy 使用Flake8进行语法检查，并且可以配置为编辑文件~/.flake8（可能尚不存在，如果不存在则创建它）。例如，Flake8 突出显示了许多令人烦恼的小语法错误，因此您可以添加到此配置文件中：

[flake8]
max-line-length = 99
max-doc-length = 79
ignore = E2,E302,E41,E303

我们还将行长度设置为 99，文档字符串长度设置为 79，正如python.org 所建议的那样，尽管标准 python 库使用更严格的长度。

最后，作为旁注，如果您的 Emacs 设置中的任何内容要求您在“临时”缓冲区中计算 lisp 表达式，请不要惊慌 - 请查看此页面以获取有关如何执行此操作的帮助。可以在 Emacs 中CTRL-X LEFTARROW从主缓冲区轻松访问“临时”缓冲区。

5.2 pycharm环境

如果您在windows下采用pycharm开发环境，一切变得异常简单，无需什么特殊配置，只要安装好QT、OpenGL就一切就绪。

六、你好，OpenGL！

现在我们已经接触了 IDE 的设置和选择，让我们开始导入必要的模块并了解它们各自提供的内容。

from PyQt4 import QtCore      # core Qt functionality
from PyQt4 import QtGui       # extends QtCore with GUI functionality
from PyQt4 import QtOpenGL    # provides QGLWidget, a special OpenGL QWidgetimport OpenGL.GL as gl        # python wrapping of OpenGL
from OpenGL import GLU        # OpenGL Utility Library, extends OpenGL functionalityimport sys                    # we'll need this later to run our Qt application

无需将其转变为 Qt 教程的介绍（因为我们现在确实想专注于 OpenGL 集成），任何应用程序的主窗口都是由派生自QtGui.QMainWindow.让我们创建主窗口类，然后给它一个名称并在初始化程序中调整它的大小：

class MainWindow(QtGui.QMainWindow):def __init__(self):QtGui.QMainWindow.__init__(self)    # call the init for the parent classself.resize(300, 300)self.setWindowTitle('Hello OpenGL App')if __name__ == '__main__':app = QtGui.QApplication(sys.argv)win = MainWindow()win.show()sys.exit(app.exec_())

如果您运行到目前为止的所有内容，则应该打开一个指定大小、名称为“Hello OpenGL App”的 Qt 窗口并且可以退出。多么激动人心！但是我们如何使用 OpenGL 在该窗口中渲染某些内容呢？这就是QGLWidget进来的地方。

QGL控件
定义几何
立即模式与保留模式
使用 VBO 定义 Cube
渲染立方体
渲染循环
添加旋转滑块
设置

七、QGL控件

QGLWidget是一个 Qt 小部件，旨在使用 OpenGL 轻松渲染图形。我们通过子类化 QGLWidget 并实现三个提供的虚拟函数来实现这一点，这些函数在必要时由 Qt 自动调用：

initializeGL：在调用调整大小或绘制之前调用一次以设置 OpenGL 渲染上下文
resizeGL：在创建窗口以及调整窗口大小以设置 OpenGL 视口和投影时调用一次
paintGL：在更新小部件以渲染场景时调用
让我们继承 QGLWidget 并开始填充这些函数。

class GLWidget(QtOpenGL.QGLWidget):def __init__(self, parent=None):self.parent = parentQtOpenGL.QGLWidget.__init__(self, parent)

在派生类的初始化程序中，我们调用父GLWidget类的初始化程序。

def initializeGL(self):self.qglClearColor(QtGui.QColor(0, 0, 255))    # initialize the screen to bluegl.glEnable(gl.GL_DEPTH_TEST)                  # enable depth testing

在初始化函数中启用深度测试，使 OpenGL 自动确保“片段”根据其在深度缓冲区中的值正确渲染。

def resizeGL(self, width, height):gl.glViewport(0, 0, width, height)gl.glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)gl.glLoadIdentity()aspect = width / float(height)GLU.gluPerspective(45.0, aspect, 1.0, 100.0)gl.glMatrixMode(gl.GL_MODELVIEW)

该resizeGL函数有更多的设置发生。首先，glViewport(x,y,width,height)指定窗口的哪一部分用于绘图，通常设置为使用窗口的完整宽度和高度（传递给resizeGL）。

接下来，glMatrixMode(mode)将活动矩阵堆栈设置为投影堆栈，其中包含用于定义查看体积的投影变换。为了定义这个变换，我们首先使用 加载单位矩阵到投影堆栈glLoadIdentity()，然后使用 定义视锥体gluPerspective(field_of_view, aspect_ratio, z_near, z_far)：

八、平截头体.svg

透视投影创建的观察体积称为截锥体，如上所示；垂直视场 (FOV) 直接在第一个参数中指定，而水平视场则根据垂直视场和纵横比定义，近端和远端剪裁平面也是输入。

有一个更通用的函数glFrustum可用于创建离轴透视投影（实际上，在幕后gluPerspective调用）。我们也可以使用正交投影来glFrustrum定义观看体积。glOrtho这会创建一个矩形棱柱的观看体积，并且不切实际地导致位于不同深度（z 值）的相同高度的对象被绘制为相同的尺寸。我们将在这里坚持使用透视投影。

正交.svg

最后，我们将矩阵模式设置回GL_MODELVIEW用于所有后续相机和模型转换的矩阵模式。一般来说，我们不应该使用GL_PROJECTIONexcept 来定义观看量。

def paintGL(self):
gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)# Add rendering code here!

最后GLWidget要实现的虚拟函数是paintGL，我们将在其中进行所有渲染。目前，我们所做的只是使用glClear(bitmask)掩码的按位或来进行一些预渲染内务处理，告诉 OpenGL 要清除哪些缓冲区。我们清除颜色和深度缓冲区，以便每次都从干净的状态开始渲染步骤。

让我们GLWidget通过创建一个对象并将其设置为我们的中心小部件来使用我们新完成的类，MainWindow如下所示。

class MainWindow(QtGui.QMainWindow):def __init__(self):QtGui.QMainWindow.__init__(self)    # call the init for the parent classself.resize(300, 300)self.setWindowTitle('Hello OpenGL App')glWidget = GLWidget(self)self.setCentralWidget(glWidget)

所有QMainWindow对象都必须有一个中央小部件，其他小部件可以停靠在该中央小部件上。运行我们到目前为止编写的所有内容，您应该看到一个空白的蓝色窗口，而不是一个空白的黑色窗口，因为我们使用 OpenGL 在initializeGL.

hello_opengl_blue.svg

万岁！现在我们已经完成了GLWidget设置，让我们做一些更有趣的事情。

九、定义几何

9.1 立即模式与保留模式

就渲染简单几何体而言，有两种模式。立即模式包括将绘图命令夹在glBegin和glEnd命令之间，导致性能较差，因为 GPU 必须等待glEnd然后立即渲染。保留模式是现代方法；几何体不是在每个周期立即调用渲染，而是使用所谓的顶点缓冲区对象 (VBO)定义，这些对象被发送到并存储在 GPU 上进行渲染。除非需要更新VBO，否则后续渲染不需要CPU和GPU之间的通信，因为VBO数据存储在图形硬件上。

9.2 使用 VBO 定义 Cube

首先，我们将导入 python OpenGL 包提供的 VBO 类以及numpy通用数组：

from OpenGL.arrays import vbo
import numpy as np

现在我们准备定义我们正在绘制的立方体的几何形状。让我们向我们的GLWidget类添加一个新函数initGeometry，我们将在该类中定义立方体。

def initGeometry(self):self.cubeVtxArray = np.array([[0.0, 0.0, 0.0],[1.0, 0.0, 0.0],[1.0, 1.0, 0.0],[0.0, 1.0, 0.0],[0.0, 0.0, 1.0],[1.0, 0.0, 1.0],[1.0, 1.0, 1.0],[0.0, 1.0, 1.0]])self.vertVBO = vbo.VBO(np.reshape(self.cubeVtxArray,(1, -1)).astype(np.float32))self.vertVBO.bind()

首先，将以原点为中心的立方体顶点位置定义为 2D numpy 数组。然后，创建顶点位置 VBO vertVBO，注意将numpy 数组重塑为 1D 并将数组元素转换为，np.float32因为 OpenGL 需要浮点数（不是双精度数，这是 python 的默认值）。最后，绑定VBO以供GPU使用。

self.cubeClrArray = np.array([[0.0, 0.0, 0.0],[1.0, 0.0, 0.0],[1.0, 1.0, 0.0],[0.0, 1.0, 0.0],[0.0, 0.0, 1.0],[1.0, 0.0, 1.0],[1.0, 1.0, 1.0],[0.0, 1.0, 1.0 ]])
self.colorVBO = vbo.VBO(np.reshape(self.cubeClrArray,(1, -1)).astype(np.float32))
self.colorVBO.bind()

我们创建第二个 VBO 来存储每个顶点的颜色，该颜色被任意设置为与顶点位置相同。 OpenGL 将使用这些顶点颜色为立方体面着色，并具有良好的渐变效果。请注意，我们实际上并不需要一个全新的 VBO 来处理颜色；而是需要一个新的 VBO。相反，我们可以通过在渲染时交错行并指定步长（连续顶点或颜色数据值之间的字节数）来将顶点位置和颜色数据存储在同一个 VBO 中。

self.cubeIdxArray = np.array([0, 1, 2, 3,3, 2, 6, 7,1, 0, 4, 5,2, 1, 5, 6,0, 3, 7, 4,7, 6, 5, 4 ])

最后，我们指定组成一维数组中六个立方体面中每一个的顶点。所有这些几何设置都应该在 中调用initializeGL，我们将其修改为

def initializeGL(self):self.qglClearColor(QtGui.QColor(0, 0, 255))    # initialize the screen to bluegl.glEnable(gl.GL_DEPTH_TEST)                  # enable depth testingself.initGeometry()

十、渲染立方体

要渲染立方体，我们需要向paintGL函数添加代码。将其更新为以下内容：

def paintGL(self):gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)gl.glPushMatrix()    # push the current matrix to the current stackgl.glTranslate(0.0, 0.0, -50.0)    # third, translate cube to specified depthgl.glScale(20.0, 20.0, 20.0)       # second, scale cubegl.glTranslate(-0.5, -0.5, -0.5)   # first, translate cube center to origingl.glEnableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)gl.glEnableClientState(gl.GL_COLOR_ARRAY)gl.glVertexPointer(3, gl.GL_FLOAT, 0, self.vertVBO)gl.glColorPointer(3, gl.GL_FLOAT, 0, self.colorVBO)gl.glDrawElements(gl.GL_QUADS, len(self.cubeIdxArray), 			gl.GL_UNSIGNED_INT, self.cubeIdxArray)gl.glDisableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)gl.glDisableClientState(gl.GL_COLOR_ARRAY)gl.glPopMatrix()    # restore the previous modelview matrix

让我们逐步看一下新的调用：

gl.glPushMatrix()    # push the current matrix to the current stackgl.glTranslate(0.0, 0.0, -50.0)    # third, translate cube to specified depth
gl.glScale(20.0, 20.0, 20.0)       # second, scale cube
gl.glTranslate(-0.5, -0.5, -0.5)   # first, translate cube center to origin

首先，我们用来glPushMatrix()复制当前的变换矩阵（因为我们没有做任何其他事情，所以它是恒等式）并将其推送到当前的矩阵堆栈（回想一下，这是在GL_MODELVIEW我们设置场景投影之后设置的）。然后，我们应用一系列变换，以相反的顺序构建它们 - 因此我们将立方体中心平移到原点（这在缩放或旋转之前是必要的），然后缩放立方体，然后将其平移到较大的深度，以便我们实际上可以看到它。

但是等等……立方体在哪里渲染？好吧，我们实际上还没有渲染任何东西 - 我们只是设置将应用于立方体的转换，它是通过以下方式渲染的：

gl.glEnableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)
gl.glEnableClientState(gl.GL_COLOR_ARRAY)gl.glVertexPointer(3, gl.GL_FLOAT, 0, self.vertVBO)
gl.glColorPointer(3, gl.GL_FLOAT, 0, self.colorVBO)gl.glDrawElements(gl.GL_QUADS,len(self.cubeIdxArray),gl.GL_UNSIGNED_INT,self.cubeIdxArray)gl.glDisableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)
gl.glDisableClientState(gl.GL_COLOR_ARRAY)gl.glPopMatrix()    # restore the previous modelview matrix

为了渲染立方体，我们首先启用顶点和颜色数组，然后将指针设置为我们之前创建的顶点位置和颜色数组glVertexPointer(size, type, stride, pointer)，glColorPointer(size, type, stride, pointer)以便 GPU 可以访问数据。

然后，我们调用使用 中指定的面索引glDrawElements(mode, count, type, indices)来渲染立方体面。或者，我们可以直接在顶点 VBO 中定义面并使用，但这需要将重复的顶点发送到 GPU。在这种情况下，使用索引列表会更有效。GL_QUADScubeIdxArrayglDrawArraysglDrawElements

最后，我们禁用启用的客户端状态（为了安全起见），然后从模型视图堆栈中弹出当前矩阵，将堆栈顶部重置为恒等变换。

十一、渲染循环

把它们放在一起会产生……什么也没有！我们已经准备好所有代码，但paintGL从未实际调用过。由我们决定渲染的时间/频率；最简单的方法是设置一个计时器作为updateGL回调（paintGL自动调用），以便定期进行渲染。更新MainWindow类如下：

class MainWindow(QtGui.QMainWindow):def __init__(self):QtGui.QMainWindow.__init__(self)self.resize(300, 300)self.setWindowTitle('Hello OpenGL App')glWidget = GLWidget(self)self.setCentralWidget(glWidget)timer = QtCore.QTimer(self)timer.setInterval(20)   # period, in millisecondstimer.timeout.connect(glWidget.updateGL)timer.start()

我们创建了一个QTimer对象，并将其设置为每 20 毫秒 (50 Hz) 发出一个信号，并将该信号连接到派生基类提供的槽（函数）。当我们开始添加滑块和其他 GUI 元素时，我们将更多地利用 Qt 的信号和插槽。updateGLGLWidget

十二、添加旋转滑块

hello_opengl_cube.svg

现在我们的应用程序中渲染了一个立方体！让我们添加一个滑块来更改其方向，以便我们实际上可以看到它是三维的。这涉及到修改 MainWindow类，我们在其中设置 GUI 结构。请注意，创建更复杂的 GUI 可能需要 QtCreator（用于 C++ 应用程序）等设计工具，但对于简单的 GUI，我们可以手动添加元素。

class MainWindow(QtGui.QMainWindow):

def __init__(self):QtGui.QMainWindow.__init__(self)    # call the init for the parent classself.resize(300, 300)self.setWindowTitle('Hello OpenGL App')self.glWidget = GLWidget(self)
self.initGUI()timer = QtCore.QTimer(self)timer.setInterval(20)   # period, in millisecondstimer.timeout.connect(self.glWidget.updateGL)timer.start()def initGUI(self):central_widget = QtGui.QWidget()gui_layout = QtGui.QVBoxLayout()central_widget.setLayout(gui_layout)self.setCentralWidget(central_widget)gui_layout.addWidget(self.glWidget)sliderX = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderX.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotX(val))sliderY = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderY.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotY(val))sliderZ = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderZ.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotZ(val))gui_layout.addWidget(sliderX)gui_layout.addWidget(sliderY)gui_layout.addWidget(sliderZ)

我们添加了一个新initGUI函数，该函数被调用来代替原始调用以设置glWidget为应用程序的中央小部件。该函数封装了所有GUI布局设置；让我们一步一步地看一下。

def initGUI(self):central_widget = QtGui.QWidget()gui_layout = QtGui.QVBoxLayout()central_widget.setLayout(gui_layout)self.setCentralWidget(central_widget)

我们可以通过以下方式构建 Qt GUI：首先定义一个新的中央小部件，为该小部件创建一个布局，该布局定义添加到其中的小部件将如何组织（垂直堆叠，因为我们使用QVBoxLayout），然后设置中央小部件的布局。最后，我们将新的小部件设置为该类的中心小部件MainWindow。

    gui_layout.addWidget(self.glWidget)sliderX = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderX.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotX(val))sliderY = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderY.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotY(val))sliderZ = QtGui.QSlider(QtCore.Qt.Horizontal)sliderZ.valueChanged.connect(lambda val: self.glWidget.setRotZ(val))gui_layout.addWidget(sliderX)gui_layout.addWidget(sliderY)gui_layout.addWidget(sliderZ)

接下来，我们将小部件添加到中央小部件的布局中，从glWidget顶部开始，然后QSlider在其下面添加三个小部件。我们将valueChanged每个滑块的信号连接到相应的槽函数，该函数捕获滑块值val并设置立方体绕轴的旋转。

我们将旋转角度作为glWidget属性添加到initializeGL函数中：

def initializeGL(self):self.qglClearColor(QtGui.QColor(0, 0, 255))    # initialize the screen to bluegl.glEnable(gl.GL_DEPTH_TEST)                  # enable depth testingself.initGeometry()self.rotX = 0.0self.rotY = 0.0self.rotZ = 0.0

使用上述设置器从滑块更新

def setRotX(self, val):self.rotX = valdef setRotY(self, val):self.rotY = valdef setRotZ(self, val):self.rotZ = val

然后更新paintGL渲染代码以使用这些角度来执行立方体围绕局部轴的连续旋转（我们将在以后的文章中详细介绍旋转，但格式是轴角度）：

    gl.glTranslate(0.0, 0.0, -50.0)    # third, translate cube to specified depthgl.glScale(20.0, 20.0, 20.0)       # second, scale cubegl.glRotate(self.rotX, 1.0, 0.0, 0.0)gl.glRotate(self.rotY, 0.0, 1.0, 0.0)gl.glRotate(self.rotZ, 0.0, 0.0, 1.0)gl.glTranslate(-0.5, -0.5, -0.5)   # first, translate cube center to origin

结果是相同的渲染立方体，但其下方有三个滑块，允许我们旋转它。您应该看到一些与下面的立方体几乎但不完全不同的东西。

立方体.gif

想知道为什么我的立方体看起来这么糟糕？我使用这个漂亮的工具将屏幕直接录制为 GIF，而 GIF 格式的调色板极其有限（8 位，即 256 种颜色），这在尝试显示具有一堆颜色渐变的立方体时非常明显。我保证你的会看起来更好！

hello_opengl_cube_rotated.svg

您可以在此处下载完整的脚本。