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使用 OpenGL 和 C# 的 3D 太阳系

Vasily Tserekh
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2013年4月17日

CPOL

6分钟阅读

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用 OpenGL 和 C# 编写的太阳系演示

引言

这是一个使用 OpenGL 和 C# 实现的 3D 太阳系。我尽量保持简单，因为这个演示仅用于教育目的。它包含了太阳、行星、我们的月球、行星的轨道以及一些星星。它使用 Visual Studio 2008 编写，并已成功升级到 Visual Studio 2010。对于这个演示，我使用了 TAO 命名空间，它是 OpenGL DLL 和 .NET Framework 之间的互操作。我还使用了 Shadowengine，这是一个由我开发的微型图形框架，用于免去硬编码加载纹理、初始化图形上下文等繁琐工作。

从 3D 程序员的视角看太阳系

那么，太阳系包含什么呢？行星、太阳、卫星、宇宙、背景上的星星等等。作为一名 3D 程序员，您应该考虑如何将这些实体转化为编程环境。例如，宇宙是黑色的。拥有一个黑色的背景就能解决这个问题。OpenGL 已经有了 `Gl.glClearColor(0, 0, 0, 1); // 红 绿 蓝 Alpha` 函数，可以将背景颜色设置为黑色。至于星星，它们只是明亮的点，然后您可以使用 OpenGL 的图元来绘制点。如果您懒得一个一个地放置星星，可以使用随机函数生成大量星星，只需确保它们不会落在太阳系内部。行星就是带纹理的球体；它们也有轨道和自身的轴向自转，您需要使用变量来跟踪并随时间更新它们。如果您不想在 3D Max 中制作球体，可以使用 OpenGL quadrics，它定义了一组基本的三角形状，并为它们定义了纹理坐标。卫星与行星相同，唯一的区别是它们的旋转轴位于行星上而不是太阳上。

Using the Code

项目中的引用包括 ShadowEngine 和 TAO.OpenGL。我想指出的是，我并没有像 XNA、GLUT 等那样在独立的窗口中创建图形上下文。我的图形上下文是在一个普通的 .NET WinForm 中创建的。这非常方便，因为您可以将 3D 内容绘制到任何窗口中，并将其与 2D 组件混合。稍后您会看到，您可以将 3D 内容绘制到几乎任何 2D 组件中。OpenGL 的初始化函数只需要一个有效的组件句柄即可开始绘制 3D 内容。

以下是项目类列表

Camera.cs

这是一个经典的 FPS（第一人称射击）相机。关于 FPS 如何工作的解释超出了本文的范围。它们的工作方式如下：

  • 鼠标光标会居中在屏幕中间。
  • 当用户移动鼠标时，会从起始点计算出 Delta X 和 Delta Y。
  • 这些 Delta X 和 Delta Y 会被转换为角度，从而决定相机的旋转方式。
  • 当您希望向前或向后移动时，相机将沿着当前角度指向的方向移动。
  • 您可以查看 `camera` 类中的 `public void Update(int pressedButton)` 方法，以获得更好的理解。

MainForm.cs

此类名称不言自明，它是项目的主窗体，也是唯一的窗体。它包含了纹理加载的调用、3D 上下文初始化、3D 内容的绘制等。它还处理用户的键盘和鼠标输入。由于 3D 内容需要至少 30 帧/秒的速率进行绘制，所以我使用了一个定时器并将所有绘制代码都放在了里面。一个值得关注的点是，我在一个 Panel 上启动了 3D 上下文，这样我就可以将 Panel 放在窗体中任何我想要的位置。以下是项目中的 3D 初始化代码：

hdc = (uint)pnlViewPort.Handle;
string error = "";
OpenGLControl.OpenGLInit(ref hdc, pnlViewPort.Width, pnlViewPort.Height, ref error);

以下是将纹理加载到 OpenGL 内存中的代码：

ContentManager.SetTextureList("texturas\\");
ContentManager.LoadTextures();

我的小型引擎负责加载该文件夹中的所有纹理，支持的纹理格式为 TGA、JPG 和 BMP。即使纹理不是 NPOT（非 2 的幂次方），也能正确加载。

这是绘制所有场景的代码：

private void tmrPaint_Tick(object sender, EventArgs e)
{
    // clears OpenGL
    Gl.glClear(Gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | Gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    //updates the camera
    solarSystem.Camara.Update(moving);
    //draws the scene
    solarSystem.DrawsScene();
    //swaps buffers
    Winapi.SwapBuffers(hdc);
    //finish drawing operations
    Gl.glFlush();
}

Planet.cs

一个行星包含以下变量：

  • 职位
  • 纹理
  • 轨道（距离太阳的当前距离）
  • 当前自转角度
  • 当前轨道旋转角度
  • 当前轨道速度

我使用 OpenGL quadrics 来绘制行星的球体。Quadrics 是 OpenGL 预定义的形状，有助于小型绘图任务。例如，Quadrics 附带纹理坐标，因此我无需使用 3D 编辑器（如 3D Max）即可正确地为每个行星应用纹理。在每一帧中，行星会根据其轨道速度在其轨道上移动。还有一个名为 `hasMoon` 的 `bool` 变量，用于指定是否为此行星绘制月球。我只有我们的月球，但如果您想绘制火星的卫星火卫一和火卫二，可以使用这段代码。行星类中的另一个有趣的函数是用于绘制其轨道的函数。首先，我使用正弦函数生成点，然后使用 `GL_LINE_STRIP` 将它们连接起来。以下是代码：

public void DrawOrbit()
{
    Gl.glBegin(Gl.GL_LINE_STRIP);
    for (int i = 0; i < 361; i++)
    {
        Gl.glVertex3f(p.x * (float)Math.Sin(i * Math.PI / 180), 
                      0, p.x * (float)Math.Cos(i * Math.PI / 180));
    }
    Gl.glEnd(); 
}

请注意，行星的轨道几乎总是椭圆形的。这里绘制的是一个圆形的轨道。行星类中用于维护行星绕自身轴旋转和绕太阳旋转的两个角度变量。

Satellite.cs

卫星包含行星的所有内容。唯一的区别是它的旋转中心不是太阳，而是它所在的行星。因此，每次绘制时，它都必须接收其所在行星的位置。您可以在其 `draw` 函数中注意到这一点。

SolarSystem.cs

这是包含行星、恒星和卫星列表的类。它只负责创建和绘制它们。行星被保存在一个列表中，当我在主窗体中调用 `DrawScene()` 时，它会进行一个 `foreach` 循环，调用行星的 `Draw` 方法。

Star.cs

这是绘制恒星的类。恒星是单个 `GL_POINTS`，以随机位置生成。这是生成它们的函数：

public void CreateStars(int amount)
{
    Random r = new Random();
    int count = 0;

    while (count != amount)
    {
        Position p = default(Position);
        p.x = (r.Next(110)) * (float)Math.Pow(-1, r.Next());
        p.z = (r.Next(110)) * (float)Math.Pow(-1, r.Next());
        p.y = (r.Next(110)) * (float)Math.Pow(-1, r.Next());
        if (Math.Pow(Math.Pow(p.x, 2) + Math.Pow(p.y, 2) + Math.Pow(p.z, 2), 1 / 3f) > 15)
        {
            stars.Add(p);
            count++;
        }
    }
}

这段代码的作用是生成一个随机点，计算其到太阳的距离，如果距离小于预设值，则丢弃该点。在这种情况下，预设值为太阳系半径的两倍。此操作将重复进行，直到达到所需的星星数量。

Sun.cs

`sun` 类是最简单的。它类似于行星类，只是它没有轨道。它只有绕自身轴的旋转。太阳绘制在 OpenGL 3D 坐标 (0,0,0) 处。

关注点

在这个演示中，您将学习 OpenGL 旋转的工作原理以及如何围绕任意轴旋转网格。此外，您还将使用主要的 OpenGL 图元：点、线和三角形。好了，以上就是此项目中涉及的所有类。我希望它对您有所帮助，并鼓励开发人员开始进行 3D 编程。欢迎随意修改代码并提出您想问的任何问题。

历史

  • 2013 年 4 月 17 日：演示的第一个版本
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