Python pyglet 自制3D引擎入门(一) -- 绘制几何体、创建3D场景

Python作为目前较广泛的编程语言, 用于制作3D游戏可谓得心应手。本文讲解应用Python pyglet库绘制3D场景的入门知识。

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

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
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2.创建窗口

WIDTH=400;HEIGHT=400
window = pyglet.window.Window(height=HEIGHT, width=WIDTH)
pyglet.app.run()
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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

现在开始调用函数，绘制基本的几何体。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。通过多次调用这个函数, 就可以绘制出任何几何图形。

• glBegin(mode)和glEnd(): 绘制一段多边形、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。

• glColor3f(r, g, b)函数可以设置图形颜色, r、g、b的范围是0-1。

• 绘制完成后, 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
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    # 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()
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4.相机控制、绑定事件

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
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# on_draw中相应的代码
gluLookAt(cam_x,cam_y,cam_z,cam_x,cam_y,100000,0,1,0)
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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)
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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)
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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()
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7.拓展: 绘制球体

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()
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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()
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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()
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8.总结

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。