使用python调用OpenGL

2018-10-18

技术OpenGL

Assimp, GLUT, OpenGL, pyassimp, python

前言

OpenGL原生接口是C和C++的，不过OpenGL也提供了python版本，在本文中只会演示OpenGL在python中的最简单使用方法，更具体的功能还需要参考相关库的资料。

另外一部分就是介绍3D加载库Assimp，由于实际的项目都是先用3D软件做好模型，再其他地方使用，所以Assimp是OpenGL项目中相对很实用的库，不过其python版本安装相对复杂，所以这里特殊说明。

PyOpenGL安装

为了用Python使用OpenGL，我们需要安装两个库：

PyOpenGL：OpenGL的python接口库
PyOpenGL_accelerate：对PyOpenGL进行加速

建议使用conda进行安装，因为conda可以自动安装或更新其他的依赖库如numpy、vs_runtion等等。

1 2	conda install PyOpenGL conda install conda install PyOpenGL

PyOpenGL官方文档为：http://pyopengl.sourceforge.net/documentation/

演示代码

在PyOpenGL后，可以先用如下简单的代码测试以下，openGL是否能正常工作：

from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *

def drawFunc():
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    glRotatef(0.1, 0.1, 0.5, 0)
    glutWireTeapot(0.5)
    glFlush()

def main():
    glutInit()
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    glutInitWindowPosition(0,0)
    glutInitWindowSize(400, 400)
    glutCreateWindow(b'first')
    glutDisplayFunc(drawFunc)
    glutMainLoop()

if __name__ == '__main__':
        main()

运行以上代码，得到如下窗口：

teapot

关于OpenGL的封装库

在OpenGL中一般的函数命名如下：

<前缀><根函数><参数数目><参数类型>

前缀有gl、glu、aux、glut、wgl、glx、agl等等，分别表示该函数属于OpenGL那个开发库等。所谓开发库，要知道原生的OpenGL是跨平台的，跨平台意味着很多功能是无法统一实现，比如说Windows和X-Window的窗口实现机制是不同的，OpenGL并不关心这些东西，只管画图。所以，基本的OpenGL并没有窗口函数，比如无法创建窗口，无法获得输入等等，这些东西都需要其他的函数库来实现。

在上面的演示代码中我们主要使用两种库，一个是GLU库，它提供了比较基础的命令的封装，可以很简单的实现比较多的复杂功能；而另外一个就是GLUT，glut是不依赖于窗口平台的OpenGL工具包，目的是隐藏不同窗口平台API的复杂度，提供更为复杂的绘制功能。

结合上面的演示代码，可以看到PyOpenGL的用法其实和c++使用原生OpenGL区别非常小。所以更复杂的图形绘制，可以先找c++代码，然后将其变成python代码。

简单Glut的代码框架

虽然现在glut库基本上被其他库代替，但是在旧版的OpenGL中还是使用得比较多的，其基本代码框架python版本如下：

from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from OpenGL.GLUT import *

def userinit():
    glClearColor( 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 )
    glColor4f(1.0,1.0,0.0,0.0)

def drawFunc():
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    glBegin(GL_TRIANGLES)
    glVertex3f(-0.5,-0.5,0.0)
    glVertex3f(0.5,0.0,0.0)
    glVertex3f(0.0,0.5,0.0)
    glEnd()
    glFlush()

# 调整窗口大小回调函数
def reshape(w, h):
    glViewport(0,0,w,h);

def keyboardAction(key, x, y):
    print(key)
    if key == b'q':
        exit();

def main():
    glutInit()
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGBA)
    glutInitWindowPosition(0,0)
    glutInitWindowSize(400, 400)
    glutCreateWindow(b'first')

    userinit()
    # glutReshapeFunc(reshape)
    glutDisplayFunc(drawFunc)
    glutKeyboardFunc(keyboardAction)
    glutMainLoop()


if __name__ == '__main__':
    main()

3D模型文件与Assimp库

3D软件生成的模型文件有很多格式，如obj、3ds、c4e等，这些文件主要包含如下内容的数据：

定点坐标
法线坐标
纹理坐标
材质、灯光信息

如果希望在OpenGL中使用到这些模型，那么就需要对这些模型文件进行解析，对于某些简单的格式如obj，它是文本格式的文件，每一行的首字符作为标记，可以直接读取解析，但是对于复杂的格式就不那么方便了，最好可以使用他人提供的库来加载。

Assimp则是OpenGl中常用的模型加载库，全称 Open Asset Import Library，它支持很多种格式的模型文件。同样它也提供了python版本pyassimp

pyassimp安装

pyassimpy的安装不一样，我们先使用pip安装后，它仍然是不能导入的，且提示错误：

“ pyassimp.errors.AssimpError: assimp library not found”

这是因为仅仅这样安装只是安装了其python接口，并没有将assimp库文件安装。通常我们需要下载其源码自己编译，对于windows系统就是编译生成其对应的.dll文件。下载地址：http://assimp.sourceforge.net/main_downloads.html

由于assimp使用cmake管理的，所以在编译assmip前，先确保cmake安装。关于cmake在windows下如何于VS协同使用可以参考如下链接：CMake入门1——CMake与VS编译器和nmake的结合使用。

在使用cmake配置项目的时候，需要注意python的是64bit还是32bit，如我的是64bit，在选择编译器就要选择对应的VS64bit版本，否则python将仍然无法导入assimp：

cmake

如果cmake没有选择正确，而在VS中又强制编译另一个版本的库，则编译时会如下如下错误：

“>x64\Debug\adler32.obj : fatal error LNK1112: 模块计算机类型“x64”与目标计算机类型“X86”冲突”

在编译完成后将生成的.dll库文件如下：

cmake

我们需要将其放入到python能够找到的目录下，我是直接放到site-packages/pyassimp的目录下。

完成上面操作后，可以测试运行如下，检查是否成功导入：

import pyassimp

objpath = r'1.obj'
scene = pyassimp.load(objpath)

assert len(scene.meshes)
mesh = scene.meshes[0]
print(mesh)

assert len(mesh.vertices)
print(mesh.vertices[0])

pyassimp.release(scene)

assimp读取模型数据结构

当导入一个模型文件时，即Assimp加载一整个包含所有模型和场景数据的模型文件到一个scene对象时，Assimp会为这个模型文件中的所有场景节点、模型节点都生成一个具有对应关系的数据结构，且将这些场景中的各种元素与模型数据对应起来。下图展示了一个简化，的Assimp生成的模型文件数据结构：

assmip

下载pyassimp源码安装包中，在其中的scripts文件中，提供了使用例子，可以参考其中的代码学习。源码安装地址：https://pypi.org/project/pyassimp/4.1.3/