Glium图形编程教程：绘制复杂3D模型（犹他茶壶）

孙纯茉Norma

于 2025-06-11 09:03:27 发布

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Glium图形编程教程：绘制复杂3D模型（犹他茶壶）

glium Safe OpenGL wrapper for the Rust language. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/gl/glium

引言

在之前的教程中，我们已经学会了如何使用Glium绘制简单的三角形。本文将带领读者进一步探索3D图形编程，学习如何绘制更复杂的3D模型——著名的犹他茶壶(Utah Teapot)。这个模型在计算机图形学领域具有标志性意义，常被视为3D图形编程的"Hello World"。

3D模型基础概念

顶点与索引

在3D图形编程中，所有形状都是由三角形组成的。一个复杂的3D模型通常包含：

顶点数组(VERTICES)：存储模型中所有顶点的位置坐标
法线数组(NORMALS)：存储每个顶点的法线向量（用于光照计算）
索引数组(INDICES)：定义如何将顶点连接成三角形

这种分离存储的方式避免了顶点数据的重复，提高了内存使用效率。例如，索引数组中的三个连续元素(7,6,1)表示使用第7、6、1号顶点构成一个三角形。

实现步骤

1. 模型数据准备

在实际应用中，3D模型通常从外部文件加载。为简化教程，我们使用预定义的Rust模块包含茶壶模型数据：

mod teapot;

2. 创建缓冲区对象

我们需要创建三种缓冲区来存储模型数据：

// 顶点位置缓冲区
let positions = glium::VertexBuffer::new(&display, &teapot::VERTICES).unwrap();

// 顶点法线缓冲区
let normals = glium::VertexBuffer::new(&display, &teapot::NORMALS).unwrap();

// 索引缓冲区
let indices = glium::IndexBuffer::new(
    &display,
    glium::index::PrimitiveType::TrianglesList,
    &teapot::INDICES
).unwrap();

IndexBuffer专门用于存储索引数据，创建时需要指定图元类型（这里使用三角形列表）。

3. 着色器程序修改

顶点着色器

我们需要调整顶点着色器以处理3D坐标：

#version 140

in vec3 position;    // 3D位置坐标
in vec3 normal;      // 法线向量

uniform mat4 matrix; // 变换矩阵

void main() {
    gl_Position = matrix * vec4(position, 1.0);
}

关于gl_Position的几点说明：

窗口坐标实际上是3D空间
GPU会自动将前三个坐标除以第四个坐标（w分量）
前两个坐标决定屏幕位置，第三个坐标表示深度

片段着色器

暂时使用简单的颜色输出：

#version 140

out vec4 color;

void main() {
    color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 纯色
}

4. 绘制调用

绘制时需要注意两点变化：

传递多个顶点缓冲区（使用元组包装）
提供索引缓冲区引用

let matrix = [
    [0.01, 0.0, 0.0, 0.0],   // X轴缩放1/100
    [0.0, 0.01, 0.0, 0.0],    // Y轴缩放1/100
    [0.0, 0.0, 0.01, 0.0],    // Z轴缩放1/100
    [0.0, 0.0, 0.0, 1.0f32]   // 齐次坐标
];

target.draw(
    (&positions, &normals),  // 顶点数据源
    &indices,                // 索引缓冲区
    &program,                // 着色器程序
    &uniform! { matrix: matrix }, // 统一变量
    &Default::default()      // 绘制参数
).unwrap();