Python pyglet 自制3D引擎入门(一) |
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Python pyglet 自制3D引擎入门(一)
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Python作为目前应用较广泛的编程语言, 用于制作3D游戏可谓得心应手。本文讲解应用pyglet库绘制3D场景的入门技能。 下篇：Python pyglet 自制3D引擎入门(二) – 绘制立体心形，动画和相机控制 目录 1.导入pyglet及相关模块2.创建窗口3.绘制正方体4.相机控制、绑定事件5.透明度和抗锯齿6.完整代码7.拓展: 绘制球体8.总结 1.导入pyglet及相关模块pyglet.window部分用于实现窗口操作, pyglet.gl以及pyglet.gl.glu模块包含了OpenGL的绘图函数, 也是创建3D场景的关键。 pyglet模块可通过pip安装: pip install pyglet。 import pyglet from pyglet.gl import * # 为方便使用, 导入opengl函数时建议使用import * 形式 from pyglet.gl.glu import * from pyglet.window import key # 按键常量 2.创建窗口 WIDTH=400;HEIGHT=400 window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH) pyglet.app.run()运行结果是出现了一个宽为400, 高为400的空白窗口。 3.绘制正方体现在开始调用OpenGL的绘图函数，绘制基本的几何体。 创建3D绘图环境部分 绘图部分 绘图部分使用了多个绘图函数，以下是函数的讲解： glVertex3f(x, y, z) : 指定点、线段和多边形的顶点。3个参数分别是x, y, z坐标。通过反复调用这个函数, 就可以绘制出任何几何图形。 glBegin(mode)和glEnd(): 指定一段多边形、线段的开始和结束。开始一个绘制时调用glBegin(), 结束绘制时调用glEnd()。其中参数mode可以设置形状等信息。 mode的值有GL_POINTS，GL_LINES，GL_LINE_LOOP，GL_TRIANGLES，GL_QUADS和GL_POLYGON等。这里用GL_POLYGON来绘制正方体的各个面。 glColor3f(r, g, b)函数可以设置图形颜色, 其中r、g、b的范围是0-1。 绘制完成后, 需调用glFlush()函数, 将绘制的图形显示在屏幕上。 @window.event def on_draw(): # 注意函数名, 须是on_draw才绑定绘制的事件 # 这是创建3D绘图环境的代码 glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵 glLoadIdentity() # 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小)，2和1000分别为能看见的最近和最远距离 glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000) glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵 glLoadIdentity() glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT) window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区 # 改变相机视角, 下文"相机控制"会介绍 gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0) # 相机始终朝着z轴正半轴方向看 # 绘制正方体的顶、底面 glColor3f(0.5,0.5,1) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10,10,10) glVertex3f(0,10,10) glVertex3f(0,0,10) glVertex3f(10,0,10) glEnd() glColor3f(0.5, 1, 0) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 0) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glEnd() # 绘制4个侧面 glColor3f(1, 0.5, 1) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 0, 10) glVertex3f(0, 0, 10) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glEnd() glColor3f(0.5, 1, 1) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(10, 10, 0) glEnd() glColor3f(0.8, 0.5, 1) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 10) glVertex3f(10, 10, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 10) glEnd() glColor3f(1, 0.5, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(0, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(0, 0, 10) glEnd() # 将绘制的图形显示在屏幕上 glFlush()运行效果: 这里, 用户按方向键后, 程序就能改变相机的位置。 - gluLookAt(eyex, eyey, eyez, centerx, centery, centerz, upx, upy, upz) 第一组eyex, eyey,eyez 相机在世界坐标的位置 第二组centerx,centery,centerz 相机镜头对准的物体在世界坐标的位置 第三组upx,upy,upz 相机向上的方向在世界坐标中的方向 你把相机想象成为你自己的脑袋： 第一组数据就是脑袋的位置 第二组数据就是眼睛看的物体的位置 第三组就是头顶朝向的方向（因为你可以歪着头看同一个物体） - pyglet.window模块中的key对象包含了许多按键常量, 可以在程序中使用。 cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5 @window.event def on_key_press(k,m): # 函数名在pyglet中可表示绑定哪个事件 global cam_x,cam_y,cam_z if k==key.DOWN: # 下 cam_y-=1 elif k==key.UP:# 上 cam_y+=1 elif k==key.LEFT: # 左 cam_x-=1 elif k==key.RIGHT: # 右 cam_x+=1 elif k==key.PAGEUP: # page up cam_z+=0.5 elif k==key.PAGEDOWN: # page down cam_z-=0.5 on_draw() # 重新绘制 # on_draw中相应的代码 gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0)运行后你会发现, 相机始终朝着z轴正半轴一个方向看, 这是程序的缺陷, 作者将在下篇中讲解更灵活的相机控制方法。 5.透明度和抗锯齿透明度 要绘制透明的图形，只需要将glColor3f()函数更换为glColor4f()函数即可。 glColor4f(r, g, b, alpha)函数的alpha参数指定了透明度，alpha的范围是0-1。此外，还要在初始化时调用glEnable和glBlendFunc函数，启用透明度功能。 glEnable(GL_BLEND) # 开启透明支持 glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)抗锯齿 要实现抗锯齿效果，需要在创建窗口这一步中设置对应的选项。这里是多重采样(MSAA)抗锯齿。 将前面创建窗口的代码改成下面这样： # sample_buffers为是否抗锯齿，depth_size为是否启用z排序 conf = pyglet.gl.Config(sample_buffers=1, samples=4, depth_size=1) window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH, config=conf) 6.完整代码 import pyglet from pyglet.gl import * from pyglet.gl.glu import * from pyglet.window import key WIDTH=400;HEIGHT=400 cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5 # sample_buffers为抗锯齿，depth_size为启用z排序 conf = pyglet.gl.Config(sample_buffers=1, samples=4,depth_size=1) window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH, config=conf) @window.event def on_draw(): # 注意函数名 glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵 glLoadIdentity() # glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小) glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000) glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵 glLoadIdentity() glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT) window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区 # 改变相机位置和角度 gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0) # 顶、底面 glColor4f(0.5, 0.5, 1, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10,10,10) glVertex3f(0,10,10) glVertex3f(0,0,10) glVertex3f(10,0,10) glEnd() glColor4f(0.5, 1, 0, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 0) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glEnd() # 4个侧面 glColor4f(1, 0.5, 1, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 0, 10) glVertex3f(0, 0, 10) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glEnd() glColor4f(0.5, 1, 1, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(10, 10, 0) glEnd() glColor4f(0.8, 0.5, 1, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(10, 10, 10) glVertex3f(10, 10, 0) glVertex3f(10, 0, 0) glVertex3f(10, 0, 10) glEnd() glColor4f(1, 0.5, 0.5, 0.5) glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(0, 10, 10) glVertex3f(0, 10, 0) glVertex3f(0, 0, 0) glVertex3f(0, 0, 10) glEnd() glFlush() @window.event def on_key_press(k,m): # 注意函数名称 global cam_x,cam_y,cam_z if k==key.DOWN: # 下 cam_y-=1 elif k==key.UP:# 上 cam_y+=1 elif k==key.LEFT: # 左 cam_x-=1 elif k==key.RIGHT: # 右 cam_x+=1 elif k==key.PAGEUP: # page up cam_z+=0.5 elif k==key.PAGEDOWN: # page down cam_z-=0.5 on_draw() glClearColor(1, 1, 1, 1) glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 开启深度(z排序), 使程序支持近的物体遮挡远的物体 glEnable(GL_BLEND) # 开启透明支持 glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA) pyglet.app.run()运行效果： 绘制球体比绘制正方体还要简单, 因为OpenGL已经内置了画球体功能。不过需要单独安装PyOpenGL这个模块。 (Windows下如果安装报错, 可以下载这个文件pan.baidu.com/s/1MRewIxe2FcLO-IWgG-5fuA?pwd=1ga2, 然后解压到Python解释器目录\Lib\site-packages\OpenGL这个目录下即可。如果仍报错，换成64位的python再试。) 注意: pyopengl中的OpenGL函数大部分和pyglet中的是一样的, 可以混用。 导入及初始化pyopengl的glut模块: from OpenGL.GLUT import * glutInit()下面的代码是绘制球体。其中的x, y, z是球心坐标, r是球半径。两个40是绘制球的精度, 精度越高球的表面越光滑。 glPushMatrix() glTranslatef(x+r, y+r, z+r) glutSolidSphere(r,40,40) glPopMatrix()完整程序: import pyglet from pyglet.gl import * from pyglet.gl.glu import * from pyglet.window import key from OpenGL.GLUT import * WIDTH=400;HEIGHT=400 cam_x=0;cam_y=0;cam_z=-5 window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH) @window.event def on_draw(): glMatrixMode(GL_PROJECTION) # 设置当前矩阵为投影矩阵 glLoadIdentity() # glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 透视投影, 类似游戏中的FOV(视角大小) glFrustum(-5, 5, -5, 5, 2, 1000) glMatrixMode(GL_MODELVIEW) # 模型视图矩阵 glLoadIdentity() glViewport(0, 0, WIDTH,HEIGHT) window.clear() # 或 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT) glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT) # 清除深度(z排序)缓冲区 # 改变相机位置和角度 gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0) # 绘制球体 x=0;y=0;z=10;r=3 glColor3f(0,0.2,0.5) # 设为蓝色 glPushMatrix() glTranslatef(x+r, y+r, z+r) glutSolidSphere(r,40,40) glPopMatrix() glFlush() @window.event def on_key_press(k,m): global cam_x,cam_y,cam_z if k==key.DOWN: # 下 cam_y-=1 elif k==key.UP:# 上 cam_y+=1 elif k==key.LEFT: # 左 cam_x-=1 elif k==key.RIGHT: # 右 cam_x+=1 elif k==key.PAGEUP: # page up cam_z+=0.5 elif k==key.PAGEDOWN: # page down cam_z-=0.5 on_draw() glutInit() glClearColor(1, 1, 1, 1) glEnable(GL_DEPTH_TEST) # 开启深度(z排序) pyglet.app.run()运行效果: 前面介绍了pyglet的入门知识, 以及绘制3D场景的基础知识。重点函数如下: glVertex3f(x, y, z): 指定点、线段和多边形的顶点。多次调用就可以绘制出几何图形。glBegin(mode)和glEnd(): 绘制一段图形的开始和结束。glBegin的mode参数可设置填充等样式。glColor3f(r, g, b): 设置图形颜色, r、g、b的范围是0-1。glFlush(): 刷新绘图缓存, 将绘制的图形显示在屏幕上。gluLookAt(): 改变相机位置和视角。下篇：Python pyglet 自制3D引擎入门(二) – 绘制立体心形，动画和相机控制 作者的其他3D程序, 见作者的gitcode：gitcode.net/qfcy_/python/-/tree/master/opengl。 |
这是OpenGL中初始化3D绘图环境的一般套路。如果是初学者，可以暂时不知道具体细节，只需按照套路编写代码即可。 glMatrixMode(mode)：用于指定当前矩阵的类型，可以是模型视图矩阵(GL_MODELVIEW)或投影矩阵(GL_PROJECTION)等。 glLoadIdentity()：将当前矩阵重置为单位矩阵，用于将当前矩阵设置为初始状态。 glFrustum(left, right, bottom, top, near, far)：定义一个透视投影矩阵，指定了视景体的六个裁剪面。 gluPerspective(fovy, aspect, zNear, zFar)：设置透视投影矩阵，指定了视场的垂直视角、宽高比、近裁剪面和远裁剪面。 glViewport(x, y, width, height)：设置视口，定义了窗口中用于绘制的区域。 glClear(mask)：清空指定的缓冲区，可以清空颜色缓冲区、深度缓冲区、模板缓冲区等。 gluLookAt(eyeX, eyeY, eyeZ, centerX, centerY, centerZ, upX, upY, upZ)：定义一个观察矩阵，指定了相机的位置、观察点的位置和相机的朝向。 glFlush()：强制将缓冲区中的绘制命令立即执行，也就是将缓冲区的图像绘制到屏幕上。
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