Chapter6 动画

6.1 双缓冲技术

实际的动画是事先都画好，然后再拿出来显示；但是计算机的动画是画一张就拿出来一张，再画下一张，如果画的图形比较复杂，则可能只画了一半就被观众看到了，这样会导致屏幕的闪烁。

于是可以假设有2张画板，画图的人画好了就与挂在屏幕上的画板交换，这在计算机图形学中被称为双缓冲技术。

双缓冲技术：在存储器（很有可能是显存）中开辟两块区域，一块作为发送到显示器的数据，一块作为绘画的区域，在适当的时候交换它们。由于交换两块内存区域实际上只需要交换两个指针，这一方法效率非常高，所以被广泛的采用。

用GLUT工具包实现双缓冲：

之前我们写过glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE)，其中的GLUT_SINGLE表示单缓冲，如果要使用双缓冲改成GLUT_DOUBLE就行。

同时，还需要交换两个缓冲区，只需要在绘制完成时简单的调用glutSwapBuffers函数就可以了。

glutIdleFunc可以做到在CPU空闲时调用某一函数。

太阳、地球、月亮程序的动画：

#include <GL/glut.h>
// 太阳、地球和月亮
// 假设每个月都是30天
// 一年12个月，共是360天
static int day = 200; // day的变化：从0到359
void myDisplay(void)
{//glEnable(GL_DEPTH_TEST); //启动深度测试（这样后绘制的图形如果在已经存在的图形的前面，它会被遮住，而不是遮住别人glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); //清空颜色和深度缓冲glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluPerspective(75, 1, 10, 400000000);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();gluLookAt(0, -200000000, 200000000, 0, 0, 0, 0, 0, 1);// 绘制红色的“太阳”glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(69600000, 20, 20);// 绘制蓝色的“地球”glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);glRotatef(day / 360.0 * 360.0, 0.0f, 0.0f, -1.0f);glTranslatef(150000000, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(15945000, 20, 20);// 绘制黄色的“月亮”glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);glRotatef(day / 30.0 * 360.0 - day / 360.0 * 360.0, 0.0f, 0.0f, -1.0f);glTranslatef(38000000, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(4345000, 20, 20);glFlush();glutSwapBuffers();
}void myIdle(void)
{/* 新的函数，在空闲时调用，作用是把日期往后移动一天并重新绘制，达到动画效果 */++day;if (day >= 360)day = 0;myDisplay();
}int main(int argc, char* argv[])
{glutInit(&argc, argv);//对GLUT进行初始化，这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE); //设置显示方式glutInitWindowPosition(100, 100); //设置窗口位置glutInitWindowSize(400, 400);//窗口大小glutCreateWindow("动画"); //根据前面设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。glutDisplayFunc(&myDisplay); //当需要画图时，请调用myDisplay函数glutIdleFunc(&myIdle);glutMainLoop(); //进行一个消息循环return 0;
}

只是在myDisplay的最后加上了交换缓冲区的操作glutSwapBuffers()，然后增加了一个CPU空闲时就执行的函数myIdle，其中调用了myDisplay重新画。

6.2 垂直同步

代码是写好了，但相信大家还有疑问。某些朋友可能在运行时发现，虽然CPU几乎都用上了，但运动速度很快，根本看不清楚，另一些朋友在运行时发现CPU使用率很低，根本就没有把空闲时间完全利用起来。但对于上面那段代码来说，这些现象都是合理的。这里就牵涉到关于垂直同步的问题。

大家知道显示器的刷新率是比较有限的，一般为60-120Hz，也就是一秒钟刷新60-120次。但如果叫计算机绘制一个简单的画面，例如只有一个三角形，则一秒钟可以绘制成千上万次。因此，如果最大限度的利用计算机的处理能力，绘制很多幅画面，但显示器的刷新速度却跟不上，这不仅造成性能的浪费，还可能带来一些负面影响（例如，显示器只刷新到一半时，需要绘制的内容却变化了，由于显示器是逐行刷新的，于是显示器上半部分和下半部分实际上是来自两幅画面）。采用垂直同步技术可以解决这一问题。即，只有在显示器刷新时，才把绘制好的图象传输出去供显示。这样一来，计算机就不必去绘制大量的根本就用不到的图象了。如果显示器的刷新率为85Hz，则计算机一秒钟只需要绘制85幅图象就足够，如果场景足够简单，就会造成比较多的CPU空闲。
几乎所有的显卡都支持“垂直同步”这一功能。
垂直同步也有它的问题。如果刷新频率为60Hz，则在绘制比较简单的场景时，绘制一幅图画需要的时间很段，帧速可以恒定在60FPS（即60帧/秒）。如果场景变得复杂，绘制一幅图画的时间超过了1/60秒，则帧速将急剧下降。
如果绘制一幅图画的时间为1/50，则在第一个1/60秒时，显示器需要刷新了，但由于新的图画没有画好，所以只能显示原来的图画，等到下一个1/60秒时才显示新的图画。于是显示一幅图画实际上用了1/30秒，帧速为30FPS。（如果不采用垂直同步，则帧速应该是50FPS）
如果绘制一幅图画的时间更长，则下降的趋势就是阶梯状的：60FPS，30FPS，20FPS，……（60/1，60/2，60/3，……）
如果每一幅图画的复杂程度是不一致的，且绘制它们需要的时间都在1/60上下。则在1/60时间内画完时，帧速为60FPS，在1/60时间未完成时，帧速为30FPS，这就造成了帧速的跳动。这是很麻烦的事情，需要避免它——要么想办法简化每一画面的绘制时间，要么都延迟一小段时间，以作到统一。

回过头来看前面的问题。如果使用了大量的CPU而且速度很快无法看清，则打开垂直同步可以解决该问题。当然如果你认为垂直同步有这样那样的缺点，也可以关闭它。——至于如何打开和关闭，因操作系统而异了。具体步骤请自己搜索之。

当然，也有其它办法可以控制动画的帧速，或者尽量让动画的速度尽量和帧速无关。不过这里面很多内容都是与操作系统比较紧密的，况且它们跟OpenGL关系也不太大。这里就不做介绍了。

6.3 计算帧速

帧速就是一秒钟内播放的画面数目（FPS）

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