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使用Python和OpenGL实现3D立方体的交互式显示

article 2025/1/18 13:02:31

简介

本文将介绍如何使用Python、Pygame和OpenGL创建一个可交互的3D立方体。这个立方体支持旋转、缩放等操作，是理解3D图形编程的良好入门示例。

技术栈

Python
Pygame：用于创建窗口和处理用户输入
OpenGL：用于3D图形渲染
PyOpenGL：Python的OpenGL绑定

核心功能

3D立方体的渲染
自动旋转
键盘控制旋转
鼠标滚轮缩放
视角重置

实现细节

1. 立方体的定义

首先，我们需要定义立方体的顶点和面：

vertices = (
    (1, -1, -1), (1, 1, -1), (-1, 1, -1), (-1, -1, -1),
    (1, -1, 1), (1, 1, 1), (-1, -1, 1), (-1, 1, 1)
)

surfaces = (
    (0,1,2,3), # 后面
    (3,2,7,6), # 左面
    (6,7,5,4), # 前面
    (4,5,1,0), # 右面
    (1,5,7,2), # 上面
    (4,0,3,6)  # 下面
)

2. 绘制函数

立方体的绘制包括实心面和边框：

def draw_cube():
    # 绘制实心面（绿色）
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)
    glBegin(GL_QUADS)
    for surface in surfaces:
        for vertex in surface:
            glVertex3fv(vertices[vertex])
    glEnd()
    
    # 绘制边框（白色）
    glColor3f(1.0, 1.0, 1.0)
    glBegin(GL_LINES)
    for surface in surfaces:
        for i in range(4):
            glVertex3fv(vertices[surface[i]])
            glVertex3fv(vertices[surface[(i+1)%4]])
    glEnd()

3. 交互控制

实现了多种交互方式：

旋转控制：
- 方向键：手动控制旋转方向
- 空格键：切换自动旋转
- +/-键：调整旋转速度
视角控制：
- 鼠标滚轮：缩放
- R键：重置视角

4. 关键技术点

OpenGL初始化

glEnable(GL_DEPTH_TEST)  # 启用深度测试
glDisable(GL_LIGHTING)   # 禁用光照
gluPerspective(45, (display[0]/display[1]), 0.1, 50.0)  # 设置透视

矩阵变换

glLoadIdentity()  # 重置矩阵
glTranslatef(0.0, 0.0, zoom)  # 平移
glRotatef(rot_speed, 0, 1, 0)  # 旋转

使用说明

控制方式：
- 方向键：控制旋转方向
- 空格键：开启/关闭自动旋转
- 鼠标滚轮：缩放
- R键：重置视角
- +/-键：调整旋转速度

运行环境：

pip install pygame PyOpenGL PyOpenGL_accelerate

完整代码

import pygame
from pygame.locals import *
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *

vertices = (
    (1, -1, -1), (1, 1, -1), (-1, 1, -1), (-1, -1, -1),
    (1, -1, 1), (1, 1, 1), (-1, -1, 1), (-1, 1, 1)
)

surfaces = (
    (0,1,2,3), # 后面
    (3,2,7,6), # 左面
    (6,7,5,4), # 前面
    (4,5,1,0), # 右面
    (1,5,7,2), # 上面
    (4,0,3,6)  # 下面
)

def draw_cube():
    glLineWidth(5.0)
    
    # 绘制实心面
    glDisable(GL_LIGHTING)
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)  # 绿色
    
    glBegin(GL_QUADS)
    for surface in surfaces:
        for vertex in surface:
            glVertex3fv(vertices[vertex])
    glEnd()
    
    # 绘制边框
    glColor3f(1.0, 1.0, 1.0)  # 白色
    glBegin(GL_LINES)
    for surface in surfaces:
        for i in range(4):
            glVertex3fv(vertices[surface[i]])
            glVertex3fv(vertices[surface[(i+1)%4]])
    glEnd()

def main():
    pygame.init()
    display = (800, 600)
    pygame.display.set_mode(display, DOUBLEBUF|OPENGL)
    
    # 基础设置
    glEnable(GL_DEPTH_TEST)
    glDisable(GL_LIGHTING)
    
    # 设置视角
    gluPerspective(45, (display[0]/display[1]), 0.1, 50.0)
    glTranslatef(0.0, 0.0, -5)
    
    # 初始化变量
    rot_speed = 1  # 旋转速度
    auto_rotate = True  # 自动旋转开关
    zoom = -5  # 缩放程度
    
    while True:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                return
            # 鼠标滚轮控制缩放
            elif event.type == pygame.MOUSEWHEEL:
                zoom += event.y * 0.5
                glLoadIdentity()
                gluPerspective(45, (display[0]/display[1]), 0.1, 50.0)
                glTranslatef(0.0, 0.0, zoom)
            # 空格键切换自动旋转
            elif event.type == pygame.KEYDOWN:
                if event.key == pygame.K_SPACE:
                    auto_rotate = not auto_rotate
                # R键重置视角
                elif event.key == pygame.K_r:
                    zoom = -5
                    glLoadIdentity()
                    gluPerspective(45, (display[0]/display[1]), 0.1, 50.0)
                    glTranslatef(0.0, 0.0, zoom)

        keys = pygame.key.get_pressed()
        
        # 方向键控制旋转
        if keys[pygame.K_LEFT]:
            glRotatef(rot_speed, 0, -1, 0)
        if keys[pygame.K_RIGHT]:
            glRotatef(rot_speed, 0, 1, 0)
        if keys[pygame.K_UP]:
            glRotatef(rot_speed, -1, 0, 0)
        if keys[pygame.K_DOWN]:
            glRotatef(rot_speed, 1, 0, 0)
        
        # 调整旋转速度
        if keys[pygame.K_PLUS] or keys[pygame.K_KP_PLUS]:
            rot_speed = min(rot_speed + 0.1, 5.0)
        if keys[pygame.K_MINUS] or keys[pygame.K_KP_MINUS]:
            rot_speed = max(rot_speed - 0.1, 0.1)
            
        # 自动旋转
        if auto_rotate:
            glRotatef(rot_speed, 3, 1, 1)
        
        glClearColor(0.0, 0.0, 0.2, 1.0)
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        
        draw_cube()
        
        pygame.display.flip()
        pygame.time.wait(10)

if __name__ == "__main__":
    main()