OpenGL递归细分四面体法绘制球体

OpenGL递归细分四面体绘制球体

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递归细分四面体法绘制三维球体，其思路是首先绘制一个内接於单位球体的正四面体，然后递归地分割四面体的平面，所分割的点经过归一化映射到球面上。经过足够多次的递归，就可以用多面体来逼近球体。

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1. 递归细分四面体

首先设定初始的四面体：内接於单位球体的正四面体，其四个顶点容易计算，结果如下：

GLfloat tetrahedron_vertex[][3] = {
	 0.0f,		 0.0f,		 1.0f,
	 0.0f,		 0.942809f, -0.333333f,
	-0.816497f, -0.471405f, -0.333333f,
	 0.816497f, -0.471405f, -0.333333f
};

随后要对四面体每个面的三角形进行细分，如下图所示有等分各角、寻找中心以及等分各边等等方式的细分方法，本次代码采用等分各边的方式，将正三角形进一步细分为四个正三角形。细分过后的四个正三角形和原本的三角形仍在同一平面，因此需要通过归一化将其映射到单位球面上：将顶点到原点的距离从原距离放缩到1即可。设定好递归层次数depth之后，开始递归地进行细分，如果没有达到层次数，则进一步细分三角形，如果depth降为0则开始绘制最终的小三角形。这种方式可以通过控制depth的大小来控制最终球面的近似效果。为了直观感受近似效果，本次代码只绘制了近似出的网格线。

void normalize(GLfloat* v)
{
	GLfloat d = sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]);
	v[0] /= d; v[1] /= d; v[2] /= d;
}

void divide_triangle(GLfloat* a, GLfloat* b, GLfloat* c, int depth)
{
	if (depth > 0) {
		GLfloat ab[3], ac[3], bc[3];
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			ab[i] = a[i] + b[i];
		normalize(ab);
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			ac[i] = a[i] + c[i];
		normalize(ac);
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			bc[i] = b[i] + c[i];
		normalize(bc);
		divide_triangle(a, ab, ac, depth - 1);
		divide_triangle(b, bc, ab, depth - 1);
		divide_triangle(c, ac, bc, depth - 1);
		divide_triangle(ab, bc, ac, depth - 1);
	}
	else {
		glBegin(GL_LINE_LOOP);
		glColor3f(sqrt(a[0]*a[0]), sqrt(a[1] * a[1]), sqrt(a[2] * a[2]));
		glVertex3fv(a);
		glVertex3fv(b);
		glVertex3fv(c);
		glEnd();
	}
}

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2. 运行效果

下图分别是递归层次设置为3次、4次、6次的球体近似效果：

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附录：完整代码

#include<GL/glut.h>
#include<math.h>
#include<iostream>
#define DEPTH 4
using namespace std;

GLfloat tetrahedron_vertex[][3] = {
	 0.0f,		 0.0f,		 1.0f,
	 0.0f,		 0.942809f, -0.333333f,
	-0.816497f, -0.471405f, -0.333333f,
	 0.816497f, -0.471405f, -0.333333f
};

void normalize(GLfloat* v)
{
	GLfloat d = sqrt(v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2]);
	v[0] /= d; v[1] /= d; v[2] /= d;
}

void divide_triangle(GLfloat* a, GLfloat* b, GLfloat* c, int depth)
{
	if (depth > 0) {
		GLfloat ab[3], ac[3], bc[3];
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			ab[i] = a[i] + b[i];
		normalize(ab);
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			ac[i] = a[i] + c[i];
		normalize(ac);
		for (unsigned int i = 0; i < 3; i++)
			bc[i] = b[i] + c[i];
		normalize(bc);
		divide_triangle(a, ab, ac, depth - 1);
		divide_triangle(b, bc, ab, depth - 1);
		divide_triangle(c, ac, bc, depth - 1);
		divide_triangle(ab, bc, ac, depth - 1);
	}
	else {
		glBegin(GL_LINE_LOOP);
		glColor3f(sqrt(a[0]*a[0]), sqrt(a[1] * a[1]), sqrt(a[2] * a[2]));
		glVertex3fv(a);
		glVertex3fv(b);
		glVertex3fv(c);
		glEnd();
	}
}

void display()
{
	// 设置逆时针排列的点围成的平面为正面
	glFrontFace(GL_CCW);
	// 设置不绘制背面，节省算力同时不会出现背面覆盖正面的情况
	glCullFace(GL_BACK);
	glEnable(GL_CULL_FACE);
	// 设置背景为白色
	glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
	// 加载单位阵
	glLoadIdentity();
	// 设置相机的位置和视角
	// 有关gluLookAt：https://blog.csdn.net/Augusdi/article/details/20470813
	gluLookAt(2, 2, 2, 0.0, 0.0, 0.0, -1, -1, 1);
	divide_triangle(tetrahedron_vertex[0], tetrahedron_vertex[2], tetrahedron_vertex[1], DEPTH);
	divide_triangle(tetrahedron_vertex[0], tetrahedron_vertex[3], tetrahedron_vertex[2], DEPTH);
	divide_triangle(tetrahedron_vertex[0], tetrahedron_vertex[1], tetrahedron_vertex[3], DEPTH);
	divide_triangle(tetrahedron_vertex[1], tetrahedron_vertex[2], tetrahedron_vertex[3], DEPTH);

	glutSwapBuffers();
}

// 窗口大小自适应函数，使得窗口大小改变时仍保持图形的比例不变
// 有关窗口自适应函数：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5497dc110102w8qh.html
void reshape(int w, int h)
{
	glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	gluPerspective(60.0, (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1.0, 20.0);
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glLoadIdentity();
	gluLookAt(2, 2, 2, 0.0, 0.0, 0.0, -1, -1, 1);
}

int main(int argc, char** argv)
{
	glutInit(&argc, argv);
	// 设置双缓冲和RGB颜色模式
	glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
	// 设置窗口大小、位置和名称
	glutInitWindowSize(500, 500);
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	glutCreateWindow("sphere");
	// 设置绘制函数、窗口大小自适应函数
	glutDisplayFunc(display);
	glutReshapeFunc(reshape);
	// 进入主循环
	glutMainLoop();
	return 0;
}