Windows 95/NT 下 OpenGL 程式設計原理深度解析

OpenGL 在 Windows 下的架構支援

科學計算視覺化、電腦動畫、虛擬實體是電腦圖形學三大熱點，核心皆為三維真實感繪圖。OpenGL (Open Graphics Library) 憑藉跨平台、簡便、高效、功能完善，已成為三維圖形事實上的工業標準。自 Windows NT 3.51 支援 OpenGL 起，Windows 95 OSR2、NT 4.0 連續提供開發環境。Visual C++ 4.2+ 完整支援 OpenGL API，使三維開發普及化。

核心概念：DC 與 RC

• GDI 繪圖透過裝置內容 (Device Context, DC) 調用函數。
• OpenGL 繪圖透過繪圖內容 (Rendering Context, RC) 完成三維繪圖。
• Windows 視窗與 DC 支援像素格式 (PIXELFORMAT) 屬性，RC 與 DC 在像素結構上保持一致。
• 建立 RC 時需與一個已設定像素格式的 DC 關聯，OpenGL 函數即可透過 RC 對應的 DC 繪製到顯示裝置。

五大關鍵限制與特性

1. 一執行緒一 RC：一個執行緒只能擁有一個 RC。若需在同一執行緒對不同裝置繪圖，只能切換 RC 對應的 DC，RC 本身不變（刪除舊 RC 重建除外）。RC 也只能屬於一個執行緒，不可跨執行緒共享。
2. DC 像素格式一經設定不可變更：設定 DC 像素格式等於設定視窗像素格式，一旦確定無法改變，期待未來 Windows 版本改進。
3. RC 可切換 DC 但同一時刻僅一個當前 DC：一個視窗可讓多個 DC 繪圖，進而允許多執行緒用多個 RC 在同一視窗執行 OpenGL 操作。
4. OpenGL 與 GDI 同 DC 繪圖有限制：使用雙緩衝做動畫時，不能在該 DC 上使用 GDI 函數繪圖。
5. 不建議用 ANSI C 撰寫 Windows OpenGL 程式：雖具跨平台可移植性，但無法利用 Windows 特性，實用價值低。

使用 VC++ 開發 OpenGL 程式標準流程

1. 設定 DC 像素格式：填寫 PIXELFORMATDESCRIPTOR 結構決定物理裝置屬性（如 PFD_DOUBLEBUFFER 決定是否支援雙緩衝動畫）。先用 ChoosePixelFormat 選擇 DC 支援的最接近格式，再用 SetPixelFormat 設定。
2. 建立 RC 並關聯 DC：wglCreateContext 建立 RC，wglMakeCurrent 使 RC 與 DC 關聯成為當前。
3. 呼叫 OpenGL 函數繪圖：因執行緒與 RC 一一對應，OpenGL 函數參數不指定 RC 控制代碼。
4. 清理資源：先 wglMakeCurrent(NULL, NULL) 斷開關聯，判斷 RC 控制代碼有效性後 wglDeleteContext 刪除 RC，再 ReleaseDC 或 DeleteDC 處理 DC。

MFC 實作 OpenGL 關鍵注意事項

附贈程式以 MFC 完成簡單 OpenGL 繪圖（輔助庫繪製帶光源實心球），以下為 MFC 開發 OpenGL 必須注意的要點：

1. 視窗樣式必須包含 WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS

一旦設定 DC 像素格式，其關聯視窗格式隨之固定。若視窗含子視窗或同級視窗，其像素格式未設定為與 RC 一致，OpenGL 繪圖易出錯。主框架視窗構造函數中指定：

LoadFrame(IDR_MAINFRAME, WS_OVERLAPPEDWINDOW | WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS, NULL, NULL);

2. 回呼函數對應 Windows 訊息處理

• ANSI C 中 auxReshapeFunc 定義視口大小回呼 → MFC 用 WM_SIZE 處理函數。
• ANSI C 中 auxMainLoop 定義繪圖回呼 → MFC 用 WM_PAINT 處理函數。
• 鍵盤/滑鼠處理同理對應 WM_KEYDOWN、WM_MOUSEMOVE 等 Windows 訊息。

3. 禁止 Windows 擦除背景避免閃爍

OpenGL 有 glClear 清除背景，應禁止 Windows 自動擦除背景。否則背景色非白色時，重繪會產生一幀白色閃爍（動畫時明顯）。WM_ERASEBKGND 處理函數中直接 return TRUE 即可。

4. 調色板模式處理

OpenGL 跨平台需使用系統調色板。GL_INDEX_MODE 繪圖時必須自行定義調色板，但 GL_RGBA_MODE 較方便，鮮少用索引模式。

5. 繪圖期間 RC 對應 DC 不可刪除/釋放

6. 視窗類別建議設定 CS_OWNDC

OpenGL 佔用 DC 時間長，設定 CS_OWNDC 避免頻繁 Get/Release DC。MFC 預設未設此屬性，需在 PreCreateWindow 自行註冊視窗類別：

cs.lpszClass = AfxRegisterWndClass(CS_DBLCLKS | CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_SAVEBITS | CS_NOCLOSE | CS_OWNDC, ...);

• CS_HREDRAW/CS_VREDRAW：視窗縮放產生 WM_PAINT，修正視口與繪圖尺寸。
• CS_SAVEBITS：視窗被遮蓋後顯現時用記憶體圖像填充，不產生 WM_PAINT，以空間換時間。

7. OpenGL 錯誤處理

OpenGL 出錯回傳錯誤碼、不拋出異常，錯誤後續函數通常仍回傳錯誤碼，易被忽略。對每個函數檢查錯誤較繁瑣，編寫時需格外小心。

參考書籍

• 《OpenGL Programmer's Guide》 SGI Inc.
• 《OpenGL 三維圖形程式設計》 廖朵朵、張華軍著，星球地圖出版社
• 《Visual C++ 5.0 線上說明》

附件：完整 MFC OpenGL 範例程式碼

程式運行需 OpenGL32.dll、glu.dll、glaux.dll 置於 Windows System 目錄。VC 專案需加入 OpenGL.h、glu.h、glaux.h 及 OpenGL.lib、glu.lib、glaux.lib (VC 自帶)。

主視窗類別定義 (OpenGLWnd.h)、實作 (OpenGLWnd.cpp)、應用程式類別 (SimpleGLApp.h/.cpp) 完整原始碼請參考原文附件，核心包含：

• PreCreateWindow 註冊 CS_OWNDC 視窗類別
• OnCreate 建立 DC、設定像素格式、建立 RC、初始化 OpenGL 狀態
• OnSize 更新 glViewport 與投影矩陣
• OnDestroy 正確清理 RC/DC
• OnEraseBkgnd 回傳 TRUE 禁止背景擦除
• OnPaint 執行 OpenGL 繪圖 (含光源、深度測試、auxSolidSphere)