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Python利用OpenGL实现控制三维对象运动-天体运动仿真

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Python利用OpenGL实现控制三维对象运动-天体运动仿真

算法机制

 

如上图所示,实现的是地球(绿色)围绕太阳(红色)公转,月亮(黄色)围绕地球转,同时地球也在自转的动画。具体原理如下:

 

首先初始化一块画布,开启深度测试,虽然当下视角看不到遮盖效果,但是在改变观测视角的情况下,还是有必要开启深度测试,避免天体之间的前后关系混乱。

利用到了openGL里的glMatrixMode(GL_PROJECTION)函数将矩阵设置成投影模式,满足绘图所需执行的矩阵变换,glLoadIdentity()函数将当前矩阵设为单位矩阵,因为在变换前需要将矩阵设置为单位矩阵,也用到了gluPerspective(GLdouble fovy,GLdouble aspect,GLdouble zNear,GLdouble zFar)透视投影的函数来设置 眼睛上下睁开的幅度 、实际窗口的横纵比、 近截面和远截面。以及glMatrixMode(GL_MODELVIEW)将矩阵设置成视图模式,满足绘图所需执行的矩阵变换。gluLookAt()来设置观测点坐标,观测物体坐标,以及观测方向。

在绘图函数draw()里,我定义一个全局变量day,来控制地球绕太阳旋转的角度,以及月亮绕地球旋转的角度,以及控制地球自转。太阳,地球和月亮是利用OpenGL里自带的画球函数glutWireSphere来绘制的。通过glRotatef()函数来设置天体绕中心天体旋转的角度,以及绕天体运动的轴,我选择的是都绕Z轴正方向旋转。glTranslatef()来使绘制的天体按设置的方向和距离平移。

在main函数里,首先令变量day=100,然后每次调用draw函数时,变量day都加一,day大于等于360时,重新设置为零,通过不断的绘制图形以此来实现天体动态运动的效果。然而即使开启双缓冲区,即glutSwapBuffers()函数,我发现天体运动的速度还是过快,最后只好使用time.sleep()函数,来强制限制图形绘制显示的速度,最后实验效果较为理想。

代码

from OpenGL.GL import *

from OpenGL.GLUT import *

from OpenGL.raw.GLU import *

import time

def init():

    glEnable(GL_DEPTH_TEST)

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

    glViewport(0, 0, 200, 200)  # 定义视区大小

    glMatrixMode(GL_PROJECTION)

    glLoadIdentity()

    gluPerspective(60, 100 / 100, 1, 20)

    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)

    glLoadIdentity()

    gluLookAt(0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0)

def draw():

    global day

    day = day + 1

    if day >= 360:

        day = 0

    glEnable(GL_DEPTH_TEST)

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

    # 太阳

    glPushMatrix()

    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)

    glutWireSphere(1.0, 20, 16)

    # 地球

    glRotatef(day, 0.0, 0.0, 1.0)

    glTranslatef(2.0, 0.0, 0.0)

    glRotatef(day / 1 * 360, 0.0, 0.0, 1.0)

    glPushMatrix()

    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)

    glRotatef(60.0, 0.0, 1.0, 1.0)

    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)

    glutWireSphere(0.2, 10, 8)

    glPopMatrix()

    # 月亮

    glRotatef(day / 30 * 360, 0.0, 0.0, 1.0)

    glTranslatef(0.4, 0.0, 0.0)

    glColor3f(1.0, 1.0, 0.0)

    glutWireSphere(0.05, 10, 8)

    glPopMatrix()

    glutSwapBuffers()

    glFlush

    time.sleep(0.05)

if __name__ == "__main__":

    day = 100

    glutInit()  # 1. 初始化glut库

    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE | GLUT_DOUBLE)

    glutInitWindowPosition(100, 100)

    glutInitWindowSize(400, 400)

    glutCreateWindow("run")

    init()

    glutDisplayFunc(draw)  # 3. 注册回调函数draw()

    glutIdleFunc(draw)

    glutMainLoop()

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