OpenGL的glPushMatrix和glPopMatrix矩阵栈顶操作函数

在之前的博客中，我就说过后面会详细讲解这两个函数。今天让我们来认识下它们（glPushMatrix和glPopMatrix函数）。

OpenGL中图形绘制后，往往需要一系列的变换来达到用户的目的，而这种变换实现的原理是又通过矩阵进行操作的。Opengl中的变换一般包括视图变换、模型变换、投影变换等，在每次变换后，opengl将会呈现一种新的状态（这也就是我们为什么会成其为状态机）。

有时候在经过一些变换后我们想回到原来的状态，就像我们谈恋爱一样，换来换去还是感觉初恋好，怎么办？opengl就帮我们提供了两个函数：giPushMatrix()和glPopMatrix();

首先我们要知道，对于矩阵的操作都是对于矩阵栈的栈顶来操作的。当前矩阵即为矩阵栈的栈顶元素，而对当前矩阵进行平移、旋转等的变换操作也同样是对栈顶矩阵的修改。所以我们在变换之前调用giPushMatrix()的话，就会把当前状态压入第二层，不过此时栈顶的矩阵也与第二层的相同。

当经过一系列的变换后，栈顶矩阵被修改，此时调用glPopMatrix()时，栈顶矩阵被弹出，且又会恢复为原来的状态。函数的作用过程可以用下图描述，更为直观。

这里写图片描述

在opengl场景中一般存在多种矩阵变换操作，而控制这些操作的命令主要用到

glMatrixMode(GLenum mode);
作用：用于指定用哪个矩阵作为当前矩阵，mode用于指定哪一种矩阵栈是其后矩阵操作的目标。mode可取：
GL_MODELVIEW: 把其后的矩阵操作施加于造型视图矩阵栈。（默认）
GL_PROJECTION: 把其后的矩阵操作施加于投影矩阵栈。
GL_TEXTURE：把其后的矩阵操作施加于纹理矩阵栈。
注意上述三种模式分别对应了三种矩阵栈。
所以在场景中存在多种矩阵变换时，glPushMatrix()和glPopMatrix()一般情况下也要结合glMatrixMode(GLenum mode)运用，系统才知道具体操作的是哪个矩阵栈。

注意：
摄像机矩阵和模型矩阵用的是同一个矩阵，就是GL_MODELVIEW (model是模型搜索矩阵，view是摄像机矩阵，GL_MODELVIEW里保存的是这两个矩阵的积）。所以选择GL_MODELVIEW之后直接用glTranslate，glRotate之类的就行。

其实摄像机和模型矩阵本质上是一回事（这也是为什么OpenGL把这两个矩阵放在一起保存的原因），因为比如把整个世界向y+方向移动10跟把摄像机向y-方向移动10是等价的。旋转也是一样。

虽然矩阵里可以保存任何变换，但按照OpenGL的概念，model和view矩阵里只能保存平移，旋转和缩放；project矩阵里只能保存投影矩阵，viewport矩阵里只能保存二维平移和缩放。这样来看把model和view放在一起是合理的。他们之间的区别纯粹是人为的。

示例：

绘制太阳

在坐标系中心（原点）绘制一个红色的太阳。首先设置为红色，绘制一个半径为10的球体。代码如下：

 glColor3ub(255, 0, 0); glutSolidSphere(10.0f, 15, 15);

这里写图片描述
2、绘制火星
火星在相对太阳偏移90个单位的距离：

glRotatef(saturnRotAngle, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

设置火星的颜色：

glColor3ub(255, 200, 100);

绘制火星，假设火星的半径为5：

glutSolidSphere(5.0f, 15, 15);

由于后面我们还需要绘制地球，而地球的位置时相对于太阳的位置，所以不需要上面的位置偏移积累。所以绘制完火星后要返回上一步的位置，分别在绘制火星的代码前面与后面添加函数glPushMatrix()与glPopMatrix()。完整代码如下：

 glColor3ub(255, 200, 100);//入栈glPushMatrix();glTranslatef(90.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(5.0f, 15, 15);//出栈glPopMatrix();

3、绘制地球
以相同于绘制火星的原理绘制地球，代码如下：

glColor3ub(0, 0, 200);
//入栈
glPushMatrix();
//沿x轴平移60个单位
glTranslatef(60.0f, 0.0f, 0.0f);
//画球
glutSolidSphere(7.0f, 15, 15);
//出栈
glPopMatrix();

这里写图片描述

4、绘制月亮
由于月球是地球的卫星，绕着地球转，所以月球的位置时相对于地球的位置。所以绘制月球跟绘制地球的代码要被glPushMatrix()与glPopMatrix()函数包着：

//地球glColor3ub(0, 0, 200);//入栈glPushMatrix();//平移60个单位glTranslatef(60.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(7.0f, 15, 15);//月亮glColor3ub(88, 88, 88);//平移20个单位glTranslatef(20.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(2.0f, 15, 15);//出栈glPopMatrix();

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5、让天体动起来
每次重新绘制时要给火星、地球一个旋转的角度，每次以相同方向一定的角速度旋转。同样的原理去实现月球绕地球转。

static float earthRotAngle = 0.0f;
static float saturnRotAngle = 0.0f;
static float moonRotAngle = 0.0f;
//当旋转角度累加到大于360度时，控制角度0moonRotAngle += 15.0f;if(moonRotAngle > 360.0f)moonRotAngle -= 360.0f;glutSolidSphere(2.0f, 15, 15);//出栈glPopMatrix();earthRotAngle += 10.0f;if(earthRotAngle > 360.0f)earthRotAngle -= 360.0f;saturnRotAngle += 6.0f;if(saturnRotAngle > 360.0f)saturnRotAngle -= 360.0f;
//注册一个回调函数，定时刷新屏幕：
void TimerFunc(int value)
{
//重绘函数
glutPostRedisplay();
//定时器
glutTimerFunc(100, TimerFunc, 1);
}

这里写图片描述

总结：学了数据结构后，入栈出栈比较易懂，把各种矩阵就当作数据，无论栈顶的元素怎么改变，我把上一个压入的元素弹出后，那个元素没有改变，所以还是恢复到原来的样子。

完整代码：

#include <windows.h>
#include <gl/glut.h>
#include<math.h>const GLfloat PI = 3.1415f;
GLfloat xRot = 0.0f;
GLfloat yRot = 0.0f;void rendererScene(void);
void changeWindowSize(GLsizei w, GLsizei h);
void setupRC(void);
void rotateMode(int key, int x, int y);//定时刷新显示
void TimerFunc(int value)
{glutPostRedisplay();//刷新glutTimerFunc(100, TimerFunc, 1);//定时器
}int main(int argc, char* argv[])
{glutInit(&argc, argv);//设置显示模式glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);//设置窗口大小glutInitWindowSize(300, 300);//设置窗口在屏幕上的位置glutInitWindowPosition(200, 200);//创建窗口标题glutCreateWindow("三角形绘3D模型");glOrtho(-100.0f, 100.0f, -100.0f, 100.0f, -100.0f, 100.0f);//注册窗口大小改变时回调函数glutReshapeFunc(changeWindowSize);//注册点击上下左右方向按钮时回调rotateMode函数glutSpecialFunc(rotateMode);//注册显示窗口时回调渲染函数glutDisplayFunc(rendererScene);glutTimerFunc(500, TimerFunc, 1);setupRC();//消息循环（处理操作系统等的消息，例如键盘、鼠标事件等）glutMainLoop();return 0;
}/**
渲染函数
*/
void rendererScene(void)
{static float earthRotAngle = 0.0f;static float saturnRotAngle = 0.0f;static float moonRotAngle = 0.0f;BOOL bCull = TRUE;  //是否开启回溯剔除BOOL bDepth = TRUE;    //是否开启深度检测glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);if(bCull) glEnable(GL_CULL_FACE);else glDisable(GL_CULL_FACE);if(bDepth) glEnable(GL_DEPTH_TEST);else glDisable(GL_DEPTH_TEST);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();//glTranslatef(0.0f, 0.0f, -100.0f);//太阳glColor3ub(255, 0, 0);glutSolidSphere(10.0f, 15, 15);//火星glColor3ub(255, 200, 100);glPushMatrix();glRotatef(saturnRotAngle, 0.0f, 1.0f, 1.0f);glTranslatef(90.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(5.0f, 15, 15);glPopMatrix();//地球glColor3ub(0, 0, 200);glPushMatrix();glRotatef(earthRotAngle,0.0f, 1.0f, 1.0f);glTranslatef(50.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(7.0f, 15, 15);//月亮glColor3ub(88, 88, 88);glRotatef(moonRotAngle, 0.0f, 1.0f, 1.0f);glTranslatef(20.0f, 0.0f, 0.0f);moonRotAngle += 15.0f;if(moonRotAngle > 360.0f)moonRotAngle -= 360.0f;glutSolidSphere(2.0f, 15, 15);glPopMatrix();earthRotAngle += 10.0f;if(earthRotAngle > 360.0f)earthRotAngle -= 360.0f;saturnRotAngle += 6.0f;if(saturnRotAngle > 360.0f)saturnRotAngle -= 360.0f;glutSwapBuffers();}/**
改变窗口大小时回调函数
*/
void changeWindowSize(GLsizei w, GLsizei h)
{GLfloat length = 100.0f;if(h == 0) h = 1;glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();if(w <= h) glOrtho(-length, length, -length * h / w, length * h / w, -length*2.0f, length*2.0f);else glOrtho(-length * w / h, length * w / h, -length, length, -length*2.0f, length*2.0f);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();
}/**
设置
*/
void setupRC(void)
{//背景颜色glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);glShadeModel(GL_FLAT);
}/**
旋转
*/
void rotateMode(int key, int x, int y)
{if(key == GLUT_KEY_UP) xRot -= 5.0f;else if(key == GLUT_KEY_DOWN) xRot += 5.0f;else if(key == GLUT_KEY_LEFT) yRot -= 5.0f;else if(key == GLUT_KEY_RIGHT) yRot += 5.0f;if(xRot < 0) xRot = 355.0f;if(xRot > 360.0f) xRot = 0.0f;if(yRot < 0) yRot = 355.0f;if(yRot > 360.0f) yRot = 0.0f;glutPostRedisplay();}