### 旋转的正方形：OpenGL 入门案例详解
#### 一、概述
本文将详细介绍一个基于 C++ 和 OpenGL 的入门级程序：“旋转的正方形”。这个程序通过使用 OpenGL 库来绘制并旋转一个带有颜色插值效果的立方体。通过对代码的分析，我们将深入理解如何在计算机图形学中使用齐次坐标变换以及简单的数据结构来表示三维空间中的对象。此外，我们还将探讨如何通过用户交互控制物体的旋转轴。
#### 二、OpenGL 简介
OpenGL 是一种跨语言、跨平台的应用程序编程接口 (API)，用于渲染 2D 和 3D 矢量图形。它广泛应用于游戏开发、虚拟现实、科学可视化等领域。在本例中，我们使用的是 GLUT（The OpenGL Utility Toolkit），这是一个简化了 OpenGL 使用的工具包。
#### 三、程序分析
##### 3.1 数据结构定义
我们定义了两个二维数组 `vertices` 和 `colors` 来存储立方体的顶点坐标和对应的颜色值。其中，`vertices` 数组包含每个顶点的 x、y、z 坐标；而 `colors` 数组则包含对应顶点的颜色值（RGB 模型）。
```cpp
GLfloat vertices[][3] = {{-1.0, -1.0, -1.0}, {1.0, -1.0, -1.0}, {1.0, 1.0, -1.0}, {-1.0, 1.0, -1.0}, {-1.0, -1.0, 1.0}, {1.0, -1.0, 1.0}, {1.0, 1.0, 1.0}, {-1.0, 1.0, 1.0}};
GLfloat colors[][3] = {{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}};
```
##### 3.2 绘制多边形函数
接下来定义了一个名为 `polygon` 的函数，该函数接收四个整数参数，分别代表四个顶点的索引，并根据这些顶点绘制一个多边形。
```cpp
void polygon(int a, int b, int c, int d)
{
glBegin(GL_POLYGON);
glColor3fv(colors[a]);
glVertex3fv(vertices[a]);
glColor3fv(colors[b]);
glVertex3fv(vertices[b]);
glColor3fv(colors[c]);
glVertex3fv(vertices[c]);
glColor3fv(colors[d]);
glVertex3fv(vertices[d]);
glEnd();
}
```
##### 3.3 构建立方体
`colorcube` 函数用于构建整个立方体，通过调用 `polygon` 函数绘制六个面。
```cpp
void colorcube(void)
{
polygon(0, 3, 2, 1);
polygon(2, 3, 7, 6);
polygon(0, 4, 7, 3);
polygon(1, 2, 6, 5);
polygon(4, 5, 6, 7);
polygon(0, 1, 5, 4);
}
```
##### 3.4 显示回调函数
`display` 函数作为显示回调，负责清除颜色缓冲区和深度缓冲区，并通过旋转矩阵对立方体进行旋转，然后绘制立方体。
```cpp
void display(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glLoadIdentity();
glRotatef(theta[0], 1.0, 0.0, 0.0);
glRotatef(theta[1], 0.0, 1.0, 0.0);
glRotatef(theta[2], 0.0, 0.0, 1.0);
colorcube();
glFlush();
glutSwapBuffers();
}
```
##### 3.5 自动旋转
为了使立方体能够自动旋转，我们定义了一个名为 `spinCube` 的函数，它负责每隔一段时间将立方体绕选定轴旋转一定的角度。
```cpp
void spinCube()
{
theta[axis] += 2.0;
if (theta[axis] > 360.0) theta[axis] -= 360.0;
glutPostRedisplay();
}
```
##### 3.6 鼠标事件处理
`mouse` 函数用于响应用户的鼠标点击事件，用户可以通过点击不同的鼠标按钮来选择不同的旋转轴。
```cpp
void mouse(int btn, int state, int x, int y)
{
if (btn == GLUT_LEFT_BUTTON && state == GLUT_DOWN) axis = 0;
if (btn == GLUT_MIDDLE_BUTTON && state == GLUT_DOWN) axis = 1;
if (btn == GLUT_RIGHT_BUTTON && state == GLUT_DOWN) axis = 2;
}
```
##### 3.7 窗口重绘
`myReshape` 函数用于处理窗口大小改变时的情况，确保立方体始终正确地显示在窗口中。
```cpp
void myReshape(int w, int h)
{
glViewport(0, 0, w, h);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
if (w <= h)
glOrtho(-2.0, 2.0, -2.0 * (GLfloat)h / (GLfloat)w, 2.0 * (GLfloat)h / (GLfloat)w, -10.0, 10.0);
}
```
#### 四、总结
通过以上对“旋转的正方形”这一入门级 OpenGL 程序的分析，我们可以看到它是如何使用 C++ 和 OpenGL 来实现一个简单但完整的图形渲染应用。从定义基本的数据结构到实现用户交互功能，本例覆盖了计算机图形学中的多个关键概念和技术。对于初学者来说，这是一个非常好的起点，有助于理解和掌握 OpenGL 的基础操作，为进一步探索复杂的图形应用程序打下坚实的基础。
