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:
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!!!
P.S. Ссылка на следующий пост о PyOpenGL с шейдерами.
