OpenGL NURBS 曲面

2024-04-23

我正在学习 OpenGL,我想要一个中间有轻微驼峰的表面。我目前正在使用这段代码,但我不确定如何调整 ctrl 点以使其达到我想要的方式。它目前就像

我想要这样的:

我不完全确定我应该使用哪些控制点,并且我对其工作原理感到困惑。

#include <stdlib.h>
#include <GLUT/glut.h>

GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = {
   {{-1.5, -1.5, 4.0}, {-0.5, -1.5, 2.0}, 
    {0.5, -1.5, -1.0}, {1.5, -1.5, 2.0}}, 
   {{-1.5, -0.5, 1.0}, {-0.5, -0.5, 3.0}, 
    {0.5, -0.5, 0.0}, {1.5, -0.5, -1.0}}, 
   {{-1.5, 0.5, 4.0}, {-0.5, 0.5, 0.0}, 
    {0.5, 0.5, 3.0}, {1.5, 0.5, 4.0}}, 
   {{-1.5, 1.5, -2.0}, {-0.5, 1.5, -2.0}, 
    {0.5, 1.5, 0.0}, {1.5, 1.5, -1.0}}
};

void display(void)
{
   int i, j;

   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
   glPushMatrix ();
   glRotatef(85.0, 1.0, 1.0, 1.0);
   for (j = 0; j <= 8; j++) {
      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      for (i = 0; i <= 30; i++)
         glEvalCoord2f((GLfloat)i/30.0, (GLfloat)j/8.0);
      glEnd();
      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      for (i = 0; i <= 30; i++)
         glEvalCoord2f((GLfloat)j/8.0, (GLfloat)i/30.0);
      glEnd();
   }
   glPopMatrix ();
   glFlush();
}

void init(void)
{
   glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
   glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4,
           0, 1, 12, 4, &ctrlpoints[0][0][0]);
   glEnable(GL_MAP2_VERTEX_3);
   glMapGrid2f(20, 0.0, 1.0, 20, 0.0, 1.0);
   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
   glShadeModel(GL_FLAT);
}
void reshape(int w, int h)
{
   glViewport(0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
   glMatrixMode(GL_PROJECTION);
   glLoadIdentity();
   if (w <= h)
      glOrtho(-5.0, 5.0, -5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 
               5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -5.0, 5.0);
   else
      glOrtho(-5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 
               5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -5.0, 5.0, -5.0, 5.0);
   glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
   glLoadIdentity();
}

int main(int argc, char** argv)
{
   glutInit(&argc, argv);
   glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
   glutInitWindowSize (500, 500);
   glutInitWindowPosition (100, 100);
   glutCreateWindow (argv[0]);
   init ();
   glutDisplayFunc(display);
   glutReshapeFunc(reshape);
   glutMainLoop();
   return 0;
}

EDIT:我以为你在试验,但我看到代码来自OpenGL 教程 http://www.glprogramming.com/red/chapter12.html。我浏览了一下,现在明白了你的意思。从那里学习基础知识很困难。

NURBS 背景

掌握 NURBS 的最佳方法是以交互方式使用它。然后,您将获得关于边缘定义点(在边缘上)、形状定义点(每隔一个)、它们之间的切线关系和连续性的直觉。 NURBS 可以由补丁组成,在边缘缝合在一起,连续性受到高度控制 - 也就是说,您可以要求 G3 作为汽车主体,或者 C1 作为廉价游戏模型。从任何描述中获得这个概念确实很困难。如果您想以这种方式获得它,我强烈建议您尝试一下Rhino Nurbs 建模器 http://www.rhino3d.com/。我几年前使用过它,现在它似乎被放弃了,但它仍然是拥有最好的 NURBS 支持的软件之一(Autodesk 3d Studio MAX 和 MAYA 的情况更糟)。不过,这可能会有点耗时,对于初学者来说,我建议尝试一些更简单的东西;将小程序从“简单贝塞尔曲线编辑器”页面 http://www.idi.ntnu.no/~mlh/codebase/grafisk2/旋转一下。

要了解 NURBS,最好咨询一下维基百科关于贝塞尔曲线的文章 http://en.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9zier_curve。一旦掌握了点位置和最终曲线形状之间的关系,您就可以轻松地将其推广到曲面。我发现这个动画非常直观:

您可以将示例中的曲面想象为一组四个曲线,上面覆盖着一块布。使用我之前链接的小程序,您可以调整位置并获得有关结果形状的即时反馈。注意t参数 - 它是沿曲线的坐标,范围为 [0, 1]。 NURBS 曲面有两个坐标,按照惯例称为u and v(这对于绘图功能很重要)。

So, the ctrlpoints代码中的结构保存所有点坐标。为了简化说明,这些是四个三次贝塞尔曲线(动画中的曲线)。对于每条曲线,您在 3 个维度内都有四个点。如果忽略 Y 轴,那么它们都位于一个网格上,X 和 Z 分别为:-1.5、-1.0、1.0、1.5。这总共解释了 32 个值(X 为 4x4,Z 为 4x4)。

其余的是高度、Y 值。在你的情况下,它是每个点的第二个值ctrlpoints。为了获得预期的结果,您可以使所有 Y 值在边缘(外部)上相等,并在中间(4 个内部)稍微升高。你会得到:

用于渲染上图的点:

GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = {
 {{-1.5, 1.0, -1.5},  {-0.5, 1.0,-1.5 }, {0.5, 1.0, -1.5 },   {1.5, 1.0,-1.5}}, 
 {{-1.5, 1.0, -0.5},  {-0.5, 2.0,-0.5 }, {0.5, 2.0, -0.5 },   {1.5, 1.0,-0.5}}, 
 {{-1.5, 1.0,  0.5},  {-0.5, 2.0, 0.5 }, {0.5, 2.0,  0.5 },   {1.5, 1.0, 0.5}}, 
 {{-1.5, 1.0,  1.5},  {-0.5, 1.0, 1.5 }, {0.5, 1.0,  1.5 },   {1.5, 1.0, 1.5}}
};
//        ^                   ^                 ^                    ^
//        |                   |                 |                    |
//        |                   |                 |                    |
//        \_________ Those are most relevant - Y-coord, height ______/

OpenGL 中的 NURBS 与 GLUT - API 演练

我发现 OpenGL API 隐藏了相当相关的细节。 NURBS 曲面是使用以下命令绘制的Evaluator并定义为Map功能。

您应该在中定义控制点init(void)函数,就像这样:

glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4,
           0, 1, 12, 4, &ctrlpoints[0][0][0]);

可以找到很好的函数解释在 MSDN 站点上查看 glMap2f http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ee872053%28v=vs.85%29.aspx。我们正在传递控制点、它们的类型以及数组步幅和顺序等详细信息。

您可以使用Evaluator功能。它以两个坐标作为参数并返回 3d 空间中的一个点。这些输入坐标正是u and v我之前提到过,在动画下。在我们的例子中:

      glBegin(GL_LINE_STRIP); // we'll draw a line

      // take 31 samples of a cross-section of the surface
      for (i = 0; i <= 30; i++)
         // for each sample, evaluate a 3d point
         glEvalCoord2f((GLfloat)i/30.0, (GLfloat)j/8.0);

         // notice j is constant in the loop here, but
         // is being changed by the outer loop.
         //
         // j is iterated in 9 steps, so we'll end up
         // with 9 lines
      glEnd();

我故意省略了外循环,其描述如下:

   // we want 9 lines
   for (j = 0; j <= 8; j++) {
      // OpenGL state machine will be used to draw lines

      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      // inner loop for j-th line along X

      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      // inner loop for j-th line along Z

      glEnd(); // done with the lines
   }

工作示例

#include <stdlib.h>
#include <GL/glut.h>

GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = {
 {{-1.5, 1.0, -1.5}, {-0.5, 1.0,-1.5 }, {0.5, 1.0, -1.5 }, {1.5, 1.0,-1.5}}, 
 {{-1.5, 1.0, -0.5}, {-0.5, 2.0,-0.5 }, {0.5, 2.0, -0.5 }, {1.5, 1.0,-0.5}}, 
 {{-1.5, 1.0,  0.5}, {-0.5, 2.0, 0.5 }, {0.5, 2.0,  0.5 }, {1.5, 1.0, 0.5}}, 
 {{-1.5, 1.0,  1.5}, {-0.5, 1.0, 1.5 }, {0.5, 1.0,  1.5 }, {1.5, 1.0, 1.5}}
};

void display(void)
{
   int i, j;

   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
   glPushMatrix();
   glRotatef(25.0, 1.0, 1.0, 1.0);
   for (j = 0; j <= 8; j++) {
      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      for (i = 0; i <= 30; i++)
         glEvalCoord2f((GLfloat)i/30.0, (GLfloat)j/8.0);
      glEnd();
      glBegin(GL_LINE_STRIP);
      for (i = 0; i <= 30; i++)
         glEvalCoord2f((GLfloat)j/8.0, (GLfloat)i/30.0);
      glEnd();
   }
   glPopMatrix();
   glFlush();
}

void init(void)
{
   glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
   glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4,
           0, 1, 12, 4, &ctrlpoints[0][0][0]);
   glEnable(GL_MAP2_VERTEX_3);
   glMapGrid2f(20, 0.0, 1.0, 20, 0.0, 1.0);
   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
   glShadeModel(GL_FLAT);
}

void reshape(int w, int h)
{
   glViewport(0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
   glMatrixMode(GL_PROJECTION);
   glLoadIdentity();
   if (w <= h)
      glOrtho(-5.0, 5.0, -5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 
               5.0*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -5.0, 5.0);
   else
      glOrtho(-5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 
               5.0*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -5.0, 5.0, -5.0, 5.0);
   glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
   glLoadIdentity();
}

int main(int argc, char** argv)
{
   glutInit(&argc, argv);
   glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);
   glutInitWindowSize(500, 500);
   glutInitWindowPosition(100, 100);
   glutCreateWindow(argv[0]);
   init();
   glutDisplayFunc(display);
   glutReshapeFunc(reshape);
   glutMainLoop();
   return 0;
}
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