PyOpenGL для начинающих и немного новогоднего настроения
Благодаря своей гибкости и простоте, язык Python позволяет легко и быстро писать целый ряд приложений и утилит. Мною данный язык, в основном, используется для написания небольших скриптов, облегчающих выполнение различных задач, связанных с системным администрированием. Как оказалось, Python можно использовать и для не совсем «традиционных» задач, например, для вывода 3D графики. Об этом и будет мой небольшой предновогодний пост.
В этой статье я постараюсь показать, насколько просто работать с OpenGL в Python. Рисовать на экране мы будем новогоднюю 3D елку. Елка будет довольно схематичная, поэтому, если вы ожидали от поста роскошную графику с шейдерами, можете дальше не читать, вам будет не интересно.
Для работы с «непитоновскими» библиотеками (например, OpenGL) необходимы модули, обеспечивающие возможность вызова функций библиотеки непосредственно из программы на языке Python. Библиотека PyOpenGL — модуль, позволяющий в программах на языке Python легко работать с функциями OpenGL, GLU и GLUT, а также с рядом расширений OpenGL.
Итак, для работы нам понадобятся:
Интерпретатор языка Python (ссылка). Среда разработки PyCharm (ссылка) (или любая другая на ваш вкус, подойдет даже блокнот). Библиотека PyOpenGL (ссылка). В среде разработке создадим и сохраним новый файл с кодом Python (имеет расширение .py).Для работы с 3D графикой (в частности, OpenGL) необходимо импортировать несколько модулей:
from OpenGL.GL import * from OpenGL.GLU import * from OpenGL.GLUT import * Мы будем, насколько возможно, пользоваться функциями из модуля glut, чтобы не писать «лишний» код и не изобретать очередные велосипеды.Инициализируем режим отображения с использованием двойной буферизации и цветов в формате RGB (двойная буферизация позволяет избежать мерцания во время перерисовки экрана): glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB) Зададим начальный размер окна (ширина, высота): glutInitWindowSize (300, 300) Укажем начальное положение окна относительно левого верхнего угла экрана: glutInitWindowPosition (50, 50) Выполним инициализацию OpenGl: glutInit (sys.argv) Создадим окно с заголовком «Happy New Year!»: glutCreateWindow (b«Happy New Year!») Запустим основной цикл программы: glutMainLoop () Если запустить программу на выполнение, то мы увидим пустое окно с заголовком «Happy New Year!». Это замечательно, но не хватает главного — елки! Поэтому не будем останавливаться на достигнутом и пойдем дальше.Перед тем как начать рисовать елку, необходимо провести ряд подготовительных мероприятий или, другими словами, выполнить инициализацию. Для этого создадим отдельную процедуру и не забудем вызвать её до запуска основного цикла программы. В нашей программе процедура инициализации выглядит следующим образом:
# Процедура инициализации def init (): global xrot # Величина вращения по оси x global yrot # Величина вращения по оси y global ambient # Рассеянное освещение global greencolor # Цвет елочных иголок global treecolor # Цвет елочного ствола global lightpos # Положение источника освещения
xrot = 0.0 # Величина вращения по оси x = 0 yrot = 0.0 # Величина вращения по оси y = 0 ambient = (1.0, 1.0, 1.0, 1) # Первые три числа — цвет в формате RGB, а последнее — яркость greencolor = (0.2, 0.8, 0.0, 0.8) # Зеленый цвет для иголок treecolor = (0.9, 0.6, 0.3, 0.8) # Коричневый цвет для ствола lightpos = (1.0, 1.0, 1.0) # Положение источника освещения по осям xyz
glClearColor (0.5, 0.5, 0.5, 1.0) # Серый цвет для первоначальной закраски gluOrtho2D (-1.0, 1.0, -1.0, 1.0) # Определяем границы рисования по горизонтали и вертикали glRotatef (-90, 1.0, 0.0, 0.0) # Сместимся по оси Х на 90 градусов glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, ambient) # Определяем текущую модель освещения glEnable (GL_LIGHTING) # Включаем освещение glEnable (GL_LIGHT0) # Включаем один источник света glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) # Определяем положение источника света Переменные xrot и yrot определяют угол вращения по осям x и y (это понадобится нам в дальнейшем для того, чтобы иметь возможность осмотреть елку со всех сторон). Массив ambient определяет параметры рассеянного освещения: цвет и яркость. Далее задаются две переменные (greencolor, treecolor), определяющие зеленый цвет для иголок и коричневый цвет для ствола.Функцией glClearColor, определяется цвет, которым будет закрашиваться экран перед каждым новым циклом перерисовки. Функцией gluOrtho2D определяем границы рисования по горизонтали и вертикали. С использованием функции glRotatef смещаемся по оси X на 90 градусов, так нам будет лучше видно елку. Функцией glLightModelfv устанавливаем рассеянную модель освещения. Включаем освещение командой glEnable (GL_LIGHTING). Просто включить освещение недостаточно, нужно добавить хотя бы один источник освещения. Делаем это функцией glEnable (GL_LIGHT0). И, напоследок, отодвинем подальше только что созданный источник света:
glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) На этом инициализацию OpenGL можно считать завершенной. Осталось только одно подготовительное мероприятие: нам нужно создать процедуру, обрабатывающую нажатия клавиш, и сообщить glut о необходимости её использовать (для этого перед запуском основного цикла программы выполним функцию glutSpecialFunc (specialkeys). Сама процедура specialkeys выглядит следующим образом: # Процедура обработки специальных клавиш def specialkeys (key, x, y): global xrot global yrot # Обработчики для клавиш со стрелками if key == GLUT_KEY_UP: # Клавиша вверх xrot -= 2.0 # Уменьшаем угол вращения по оси X if key == GLUT_KEY_DOWN: # Клавиша вниз xrot += 2.0 # Увеличиваем угол вращения по оси X if key == GLUT_KEY_LEFT: # Клавиша влево yrot -= 2.0 # Уменьшаем угол вращения по оси Y if key == GLUT_KEY_RIGHT: # Клавиша вправо yrot += 2.0 # Увеличиваем угол вращения по оси Y
glutPostRedisplay () # Вызываем процедуру перерисовки В коде specialkeys в зависимости от того, какая стрелка на клавиатуре была нажата, мы либо уменьшаем, либо увеличиваем значения переменных xrot или yrot, а затем функцией glutPostRedisplay вызываем перерисовку экрана.Все, теперь можно приступать к главному — рисованию елки! Как и в случае с функцией specialkeys сообщим glut о том, какую процедуру использовать для перерисовки экрана: glutDisplayFunc (draw). Сама процедура draw выглядит следующим образом:
# Процедура перерисовки def draw (): global xrot global yrot global lightpos global greencolor global treecolor
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT) # Очищаем экран и заливаем серым цветом glPushMatrix () # Сохраняем текущее положение «камеры» glRotatef (xrot, 1.0, 0.0, 0.0) # Вращаем по оси X на величину xrot glRotatef (yrot, 0.0, 1.0, 0.0) # Вращаем по оси Y на величину yrot glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) # Источник света вращаем вместе с елкой
# Рисуем ствол елки # Устанавливаем материал: рисовать с 2 сторон, рассеянное освещение, коричневый цвет glMaterialfv (GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, treecolor) glTranslatef (0.0, 0.0, -0.7) # Сдвинемся по оси Z на -0.7 # Рисуем цилиндр с радиусом 0.1, высотой 0.2 # Последние два числа определяют количество полигонов glutSolidCylinder (0.1, 0.2, 20, 20) # Рисуем ветки елки # Устанавливаем материал: рисовать с 2 сторон, рассеянное освещение, зеленый цвет glMaterialfv (GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, greencolor) glTranslatef (0.0, 0.0, 0.2) # Сдвинемся по оси Z на 0.2 # Рисуем нижние ветки (конус) с радиусом 0.5, высотой 0.5 # Последние два числа определяют количество полигонов glutSolidCone (0.5, 0.5, 20, 20) glTranslatef (0.0, 0.0, 0.3) # Сдвинемся по оси Z на -0.3 glutSolidCone (0.4, 0.4, 20, 20) # Конус с радиусом 0.4, высотой 0.4 glTranslatef (0.0, 0.0, 0.3) # Сдвинемся по оси Z на -0.3 glutSolidCone (0.3, 0.3, 20, 20) # Конус с радиусом 0.3, высотой 0.3
glPopMatrix () # Возвращаем сохраненное положение «камеры» glutSwapBuffers () # Выводим все нарисованное в памяти на экран Функция glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT) используется для заливки экрана серым цветом. Пара функций glPushMatrix () и glPopMatrix () позволяет нам вращать только елку. Функция glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) «вращает» источник освещения вместе с елкой, благодаря этому, она остается «статично» освещенной. Функция glMaterialfv (GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, color) устанавливает двусторонний режим рисования, рассеянное освещение и задает цвет, которым рисуется объект. Иголки мы рисуем с использованием функции glutSolidCone (0.5, 0.5, 20, 20), а ствол елки с использованием функции glutSolidCylinder (0.1, 0.2, 20, 20). Первые два параметра этих функции определяют радиус и высоту, а последние два — количество элементов, из которых состоят фигуры (полигонов). После того, как все части елки нарисованы в памяти видеокарты, вызовом функции glutSwapBuffers () выводим их на экран.Весь код программы: # Импортируем все необходимые библиотеки: from OpenGL.GL import * from OpenGL.GLU import * from OpenGL.GLUT import * import sys
# Объявляем все глобальные переменные global xrot # Величина вращения по оси x global yrot # Величина вращения по оси y global ambient # рассеянное освещение global greencolor # Цвет елочных иголок global treecolor # Цвет елочного стебля global lightpos # Положение источника освещения
# Процедура инициализации def init (): global xrot # Величина вращения по оси x global yrot # Величина вращения по оси y global ambient # Рассеянное освещение global greencolor # Цвет елочных иголок global treecolor # Цвет елочного ствола global lightpos # Положение источника освещения
xrot = 0.0 # Величина вращения по оси x = 0 yrot = 0.0 # Величина вращения по оси y = 0 ambient = (1.0, 1.0, 1.0, 1) # Первые три числа цвет в формате RGB, а последнее — яркость greencolor = (0.2, 0.8, 0.0, 0.8) # Зеленый цвет для иголок treecolor = (0.9, 0.6, 0.3, 0.8) # Коричневый цвет для ствола lightpos = (1.0, 1.0, 1.0) # Положение источника освещения по осям xyz
glClearColor (0.5, 0.5, 0.5, 1.0) # Серый цвет для первоначальной закраски gluOrtho2D (-1.0, 1.0, -1.0, 1.0) # Определяем границы рисования по горизонтали и вертикали glRotatef (-90, 1.0, 0.0, 0.0) # Сместимся по оси Х на 90 градусов glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, ambient) # Определяем текущую модель освещения glEnable (GL_LIGHTING) # Включаем освещение glEnable (GL_LIGHT0) # Включаем один источник света glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) # Определяем положение источника света
# Процедура обработки специальных клавиш def specialkeys (key, x, y): global xrot global yrot # Обработчики для клавиш со стрелками if key == GLUT_KEY_UP: # Клавиша вверх xrot -= 2.0 # Уменьшаем угол вращения по оси Х if key == GLUT_KEY_DOWN: # Клавиша вниз xrot += 2.0 # Увеличиваем угол вращения по оси Х if key == GLUT_KEY_LEFT: # Клавиша влево yrot -= 2.0 # Уменьшаем угол вращения по оси Y if key == GLUT_KEY_RIGHT: # Клавиша вправо yrot += 2.0 # Увеличиваем угол вращения по оси Y
glutPostRedisplay () # Вызываем процедуру перерисовки
# Процедура перерисовки def draw (): global xrot global yrot global lightpos global greencolor global treecolor
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT) # Очищаем экран и заливаем серым цветом glPushMatrix () # Сохраняем текущее положение «камеры» glRotatef (xrot, 1.0, 0.0, 0.0) # Вращаем по оси X на величину xrot glRotatef (yrot, 0.0, 1.0, 0.0) # Вращаем по оси Y на величину yrot glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightpos) # Источник света вращаем вместе с елкой
# Рисуем ствол елки # Устанавливаем материал: рисовать с 2 сторон, рассеянное освещение, коричневый цвет glMaterialfv (GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, treecolor) glTranslatef (0.0, 0.0, -0.7) # Сдвинемся по оси Z на -0.7 # Рисуем цилиндр с радиусом 0.1, высотой 0.2 # Последние два числа определяют количество полигонов glutSolidCylinder (0.1, 0.2, 20, 20) # Рисуем ветки елки # Устанавливаем материал: рисовать с 2 сторон, рассеянное освещение, зеленый цвет glMaterialfv (GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, greencolor) glTranslatef (0.0, 0.0, 0.2) # Сдвинемся по оси Z на 0.2 # Рисуем нижние ветки (конус) с радиусом 0.5, высотой 0.5 # Последние два числа определяют количество полигонов glutSolidCone (0.5, 0.5, 20, 20) glTranslatef (0.0, 0.0, 0.3) # Сдвинемся по оси Z на -0.3 glutSolidCone (0.4, 0.4, 20, 20) # Конус с радиусом 0.4, высотой 0.4 glTranslatef (0.0, 0.0, 0.3) # Сдвинемся по оси Z на -0.3 glutSolidCone (0.3, 0.3, 20, 20) # Конус с радиусом 0.3, высотой 0.3
glPopMatrix () # Возвращаем сохраненное положение «камеры» glutSwapBuffers () # Выводим все нарисованное в памяти на экран
# Здесь начинается выполнение программы
# Использовать двойную буферизацию и цвета в формате RGB (Красный, Зеленый, Синий)
glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB)
# Указываем начальный размер окна (ширина, высота)
glutInitWindowSize (300, 300)
# Указываем начальное положение окна относительно левого верхнего угла экрана
glutInitWindowPosition (50, 50)
# Инициализация OpenGl
glutInit (sys.argv)
# Создаем окно с заголовком «Happy New Year!»
glutCreateWindow (b«Happy New Year!»)
# Определяем процедуру, отвечающую за перерисовку
glutDisplayFunc (draw)
# Определяем процедуру, отвечающую за обработку клавиш
glutSpecialFunc (specialkeys)
# Вызываем нашу функцию инициализации
init ()
# Запускаем основной цикл
glutMainLoop ()
Результат выполнения программы (елка во всей красе): 
и немного видео:
[embedded content]
Используя рассмотренный в посте функционал вполне можно рисовать не только новогодние елки, но и трехмерные графики, и модели различных систем.
Надеюсь, данная статья окажется для кого-то полезной и подтолкнет к дальнейшему изучению языка Python и спецификации OpenGL.С наступающим Новым годом, товарищи!!!
