使用 PyOpenGL 进行 2D 图形渲染总结

一、说明

OpenGL是一个广泛使用的开放式跨平台实时 3D 图形库，开发于二十多年前。它提供了一个低级API，允许开发人员以统一的方式访问图形硬件。在开发需要硬件加速且需要在不同平台上运行的复杂 2D 或 3D 应用程序时，它是首选平台。它可以在多种语言中使用，包括 C/C++、C#、Java、Objective-C（用于 iPhone 和 iPad 游戏）、Python 等。在本文中，我将展示如何将 OpenGL 与 Python 一起使用（感谢PyOpenGL 库）来高效渲染 2D 图形。

二、安装简介

需要带有 Numpy、 PyOpenGL和 PyQt4库的 Python。在 Windows 上，可以在此网页上找到二进制安装程序。

此外，还需要系统显卡的最新驱动程序，以便可以使用最新的OpenGL实现。特别是，我们将利用顶点缓冲对象 (VBO)，从 OpenGL 版本 1.5（2003 年出现）开始，这些对象在核心实现中可用。在此日期之后发货的显卡应具有支持 VBO 的驱动程序。但是，系统上安装的驱动程序可能不支持最新版本的 OpenGL。

例如，在 Windows 上，我对 2009 年显卡的默认驱动程序存在一些问题：OpenGL 1.1 是唯一受支持的版本。原因是当构造函数驱动程序未找到或不可用时，Windows（从 Vista 开始）可以使用一种基于 Windows 显示驱动程序模型 (WDDM)的通用驱动程序。现在，WDDM 驱动程序倾向于使用 DirectX（微软自己的图形库，与 OpenGL 并行）而不是 OpenGL，因此这些驱动程序仅支持非常旧的 OpenGL 版本。为了使事情正常进行，需要找到构造函数驱动程序并强制安装它们。可能会有点痛。

简而言之，如果在运行下面的脚本时出现提及 OpenGL 和缓冲区对象的错误消息，请确保显卡驱动程序正确。OpenGL Extensions Viewer是检查显卡 OpenGL 功能的一个非常有用的工具。它适用于 Windows、Linux 和 iOS。

三、QGL控件

我们将定义一个 Qt 小部件，在窗口中的随机位置显示点。该小部件将派生自 QGLWidgetQt 小部件，它提供对 OpenGL API 进行渲染的访问。派生类中至少需要重写三个方法：initializeGL()、updateGL()和resizeGL(w, h)。

initializeGL()：在这里调用 OpenGL 初始化命令。它也是创建顶点缓冲区对象并用一些数据填充它们的地方。

paintGL()：在此处调用 OpenGL 渲染命令。每当需要重绘窗口时就会调用它。

resizeGL(w, h)：在这里进行与相机和视口相关的调用。每当小部件的大小发生更改时都会调用它（新的小部件大小作为参数传递给此方法）。

顶点缓冲区对象
渲染数据最有效的方法是尽量减少从系统内存到 GPU 内存的数据传输，并尽量减少对 OpenGL 渲染命令的调用次数。执行此操作的一种便捷方法是使用顶点缓冲区对象。它们允许在 GPU 上分配内存，在 GPU 上加载一次数据（如果数据发生变化则加载多次），并高效地渲染它，因为数据在连续调用之间保留在 GPU 上 paintGL()。PyOpenGL 集成了一个模块来轻松创建和使用 VBO：

import OpenGL.arrays.vbo as glvbo
# in initializeGL:
# create a VBO, data is a Nx2 Numpy array
self.vbo = glvbo.VBO(self.data)

# in paintGL:
# bind a VBO, i.e. tell OpenGL we're going to use it for subsequent
# rendering commands
self.vbo.bind()

四、使用 VBO 绘画

OpenGL 可以渲染点、线和凸多边形等图元。 glEnableClientState 和 glVertexPointer 函数配置 VBO 进行渲染，glDrawArrays 函数从存储在 GPU 内存中的缓冲区中绘制图元。可以与 VBO 一起使用的其他绘图命令包括 glMultiDrawArrays，用于从单个 VBO 绘制多个独立图元（与使用多个 VBO 相比，效率更高，但灵活性较差）。索引绘图也是可能的，并允许以任意顺序使用顶点，并在渲染期间多次重用顶点。相关函数是glDrawElements和glMultiDrawElements。

颜色可以在调用渲染命令之前使用函数 glColor 指定，也可以通过为颜色创建一个特殊的 VBO（包含每个点的颜色）来指定。相关函数是glColorPointer和glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY)。一种变体是将颜色与顶点打包在一起，即在单个 VBO 中每个点有 5 个数字（x、y 坐标和 R、V、B 颜色分量）。请参阅此处的一些详细信息。

注意：显然，在OpenGL中，使用单精度浮点数比使用双精度浮点数更好。显卡可能确实不支持后一种格式。我在这篇文章的早期版本中使用了双精度，在特定情况下我遇到了一些令人讨厌的内存访问冲突崩溃。当我换成花车时它们就消失了。如果这对任何人有帮助…、

# in paintGL:
# set the color yellow
gl.glColor(1,1,0)
# enable the VBO
gl.glEnableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)
# tell OpenGL that each vertex is made of 2 single precision floating
# numbers (x and y coordinates).
gl.glVertexPointer(2, gl.GL_FLOAT, 0, self.vbo)
# draw all points from the VBO
gl.glDrawArrays(gl.GL_POINTS, 0, len(self.data))

五、设置 2D 渲染的正交投影

该resizeGL方法设置用于光栅化的几何投影。由于我们在本文中只对 2D 渲染感兴趣，因此我们在该函数中使用正交投影glOrtho。该 glViewport 函数允许指定用于后续渲染命令的屏幕部分。这里我们只是告诉 OpenGL 在整个窗口内进行绘制。

# paint within the whole window
gl.glViewport(0, 0, self.width, self.height)
# set orthographic projection (2D only)
gl.glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
gl.glLoadIdentity()
# the window corner OpenGL coordinates are (-+1, -+1)
gl.glOrtho(-1, 1, 1, -1, -1, 1)

六、设置 PyQt 小部件

这里我们使用 PyQt 作为 GUI 窗口系统。为了在屏幕上显示一个窗口并使用我们的 OpenGL 小部件，我们首先需要定义一个 Qt 主窗口，将 OpenGL 小部件放入其中，最后创建一个 Qt 应用程序来托管主窗口。

# paint within the whole window
gl.glViewport(0, 0, self.width, self.height)
# set orthographic projection (2D only)
gl.glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
gl.glLoadIdentity()
# the window corner OpenGL coordinates are (-+1, -+1)
gl.glOrtho(-1, 1, 1, -1, -1, 1)

定义一个 Qt 窗口，其中包含 OpenGL 小部件

# define a Qt window with an OpenGL widget inside it
class TestWindow(QtGui.QMainWindow):
    def __init__(self):
        super(TestWindow, self).__init__()
        # initialize the GL widget
        self.widget = GLPlotWidget()
        # [...] (set data for the OpenGL widget)
        # put the window at the screen position (100, 100)
        self.setGeometry(100, 100, self.widget.width, self.widget.height)
        self.setCentralWidget(self.widget)
        self.show()

# create the Qt App and window
app = QtGui.QApplication(sys.argv)
window = TestWindow()
window.show()
app.exec_()

七、完整剧本

这是完整的脚本。

# PyQt4 imports
from PyQt4 import QtGui, QtCore, QtOpenGL
from PyQt4.QtOpenGL import QGLWidget
# PyOpenGL imports
import OpenGL.GL as gl
import OpenGL.arrays.vbo as glvbo

class GLPlotWidget(QGLWidget):
    # default window size
    width, height = 600, 600

    def set_data(self, data):
        """Load 2D data as a Nx2 Numpy array.
        """
        self.data = data
        self.count = data.shape[0]

    def initializeGL(self):
        """Initialize OpenGL, VBOs, upload data on the GPU, etc.
        """
        # background color
        gl.glClearColor(0,0,0,0)
        # create a Vertex Buffer Object with the specified data
        self.vbo = glvbo.VBO(self.data)

    def paintGL(self):
        """Paint the scene.
        """
        # clear the buffer
        gl.glClear(gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
        # set yellow color for subsequent drawing rendering calls
        gl.glColor(1,1,0)
        # bind the VBO
        self.vbo.bind()
        # tell OpenGL that the VBO contains an array of vertices
        gl.glEnableClientState(gl.GL_VERTEX_ARRAY)
        # these vertices contain 2 single precision coordinates
        gl.glVertexPointer(2, gl.GL_FLOAT, 0, self.vbo)
        # draw "count" points from the VBO
        gl.glDrawArrays(gl.GL_POINTS, 0, self.count)

    def resizeGL(self, width, height):
        """Called upon window resizing: reinitialize the viewport.
        """
        # update the window size
        self.width, self.height = width, height
        # paint within the whole window
        gl.glViewport(0, 0, width, height)
        # set orthographic projection (2D only)
        gl.glMatrixMode(gl.GL_PROJECTION)
        gl.glLoadIdentity()
        # the window corner OpenGL coordinates are (-+1, -+1)
        gl.glOrtho(-1, 1, 1, -1, -1, 1)

if __name__ == '__main__':
    # import numpy for generating random data points
    import sys
    import numpy as np
    import numpy.random as rdn

    # define a Qt window with an OpenGL widget inside it
    class TestWindow(QtGui.QMainWindow):
        def __init__(self):
            super(TestWindow, self).__init__()
            # generate random data points
            self.data = np.array(.2*rdn.randn(100000,2),dtype=np.float32)
            # initialize the GL widget
            self.widget = GLPlotWidget()
            self.widget.set_data(self.data)
            # put the window at the screen position (100, 100)
            self.setGeometry(100, 100, self.widget.width, self.widget.height)
            self.setCentralWidget(self.widget)
            self.show()

    # create the Qt App and window
    app = QtGui.QApplication(sys.argv)
    window = TestWindow()
    window.show()
    app.exec_()