OpenGL在固體物理教學中的應用

錢英軍 于彥明 祝玉華

1. 黑龍江司法警官職業學院 150060; 2. 唐山師范學院 063000

OpenGL在固體物理教學中的應用

錢英軍1于彥明2祝玉華2

1. 黑龍江司法警官職業學院 150060; 2. 唐山師范學院 063000

根據固體物理教學特點將OpenGL函數庫封裝成為C++Builder的組件，使得課件的開發效率有較大提高。

OpenGL；類；封裝

OpenGL;class; encapsulation

引言

固體物理教學難點之一就是如何利用多媒體技術對各種晶體結構進行形象的演示，以達到深化教學效果的目的。如果能夠進行交互操作則效果更佳。因此我們選用了OpenGL編程的方法，此方法的優點就是可以獲得真三維圖像，幾何體的大小、位置及其運動可以嚴格按照給定參數或函數描繪，并可以實現實時人機交互；缺點就是不能像一些二維工具提供所見即所得的方法，需要更多的計算機語言的知識和OpenGL庫函數的知識。

1 OpenGL面臨一個困難及處理策略

選用OpenGL面臨一個困難就是它沒有提供像C++那樣面向對象的類封裝，因此，編程效率比較低，而且不能有效地與像C++ Builder這樣的開發工具整合在一起，使用起來很不方便。

為此，我們利用C++ Builder提供的控件開發功能將OpenGL需要做的初始化和程序結束時應做的釋放動作封裝成為一個GLScene控件（選擇TCustomControl作為父類），并將其添加到組件面板Compoment Palette中。

與OpenGL初始化和關閉有關的私有數據成員有：應用程序設備描述符句柄HDC，著色描述符表句柄HGLRC、像素格式描述符PFD等；成員函數setupPFD功能就是選擇、設置PFD。消息處理函數GLWndProc主要功能是，接到WM_CREATE消息后，運行setupPFD函數，成功后獲取HDC，生成HGLRC后，將著色 描 述 符 表 生 效 ； 接 到WM_DESTROY后，將HGLRC失效，同HDC一起予以釋放。

在程序設計期，如果在表單上加入GLScene元件則可以在設計期對其特性進行可視化的修改，對要響應的事件（見圖一）加入處理代碼。

其次，根據固體物理晶體結構展示要求，我們將一些OpenGL函數封裝成類，它們分別是GLCollection、GLTransform、GLMaterial、GLGeometry、GLCamera，將GLCamera和GLCollection加入TOpenGLScene。

GLCollection是我們要渲染的場景，它的子類包括要進行的變換GLTransform，而GLTransform的子類是GLGeometry，它是要繪制的幾何體，它的子類是該幾何體的材質和所需的光照。GLCamera主要負責設置視場變換。它們的關系見圖二。

2 課件開發實例

圖一 GLScene控件的特性和響應事件

圖二 封裝類之間關系

圖三 幾何體類的成員和方法

圖四 程序效果圖

在定義了以上類之后，就可以開發具體的課件了。我們以面心立方體為例，來說明上述方法的應用過程。

首先，打開C++Builder中建立一個新工程，然后，從組件面板中選擇TOpenGLScene放到應用程序的窗體Form上，在對象檢視器Object Inspector中選擇Align為alClient，表示該組件與窗體的客戶區對齊，其它特性可以選擇缺省設置即可。在窗體的OnShow事件中加入處理代碼，包括 根 據 本 物 理 問 題 生 成GLCollection、GLTransform、GLGeometry、GLMaterial、GLLight和GLCamera的實例，其中GLGeometry的成員和方法（見圖三）。將GLScene的GLCollection和GLCamera成員指向剛生成的實例即可，最后將應用程序的OnIdle事件句柄指向TOpenGLScene的DrawScene函數，運行效果如圖四。

3 結語

值得指出的是，在對OpenGL進行類封裝之后，為這些類提供了具有常用參數的構造函數，在生成類的實例時調用帶有缺省參數的構造函數后，開發速度得以加快。由于固體物理中要演示的晶體結構不需要貼圖，所以我們在應用中沒有對貼圖進行封裝。

為快速開發課件，我們在封裝類的時候，加入了從數據文件讀取幾何體尺寸、位置和材質參數、窗口參數、照明參數等數據的方法。這也是TOpenGLScene類創建的目標-只需在數據文件中輸入參數，在程序設計期，給出TTransform類的變換函數，即可完成程序設計。

[1]安杰爾著,李桂瓊,張文祥譯.OpenGL程序設計指南（第2版）——國外經典教材·計算機科學與技術[M]. 北京：清華大學出版社.2005.

[2]李東,王宏.Borland C++ Builder 5 高級開發技術[M]. 北京：中國水利水電出版社.2000.

[3]數碼影像技術叢書編委會. Cosmo3D 程序設計指南[M]. 北京：北京希望電子出版社.2000.

[4]數碼影像技術叢書編委會. 高級圖形圖像核心技術寶典-程序員編程指南[M]. 北京：北京希望電子出版社. 2000.

[5]蔡伯壎. 固體物理基礎[M]. 北京：高等教育出版社.1990.

OpenGL’s application in solid-state physics teaching

QIAN Yingjun1YU Yanming2ZHU Yuhua2
（1. Heilongjiang judicial officers Vocational College, Harbin 150060; 2. Tang Shan Teachers College, Tangshan 063000）

According to the solid-state physics’s teaching characteristic, the OpenGL function storehouse are encapsulated into C++Builder’s module, in this way the development efficiency of the courseware have been enhanced greatly.

錢英軍（1971- ）男，黑龍江省哈爾濱人，碩士，副教授，從事電氣工程、計算機網絡技術研究。