A Brief Introduction to openFrameworks

介绍一个开源的 C++ 开发框架 openFrameworks 。

作为一个图形图像方向的研究生，我经常都在和 OpenGL 、OpenCV 等多种 C++ 库打交道。这些库遵循着不同的规则和用法；另外，为了让自己的程序具有更多的交互能力，编写界面也是一个家常便饭的工作。

然而，随着工程复杂性的增加，库的管理和界面的维护也变得越来越困难：一方面，库的增加和删除不仅会增加学习成本，也会对系统的逻辑层带来影响。而另一方面，如果要让自己的项目易于维护，就要尽可能地应用设计模式，让逻辑和界面分离。但对于科研，一味陷入设计模式的桎梏又会带来过早优化的问题，影响科研进度。

直到后来，我接触到了 openFrameworks ，简直有种相逢恨晚的感觉。openFrameworks 封装了常用的 C++ 库，在此基础上提供了一个直观统一的接口，也大幅简化了编写界面的流程，使得开发图形程序变得很轻松。

本文将为大家介绍这个让人着迷的开发框架 —— openFrameworks。

什么是 openFrameworks

openFrameworks（以下简称 oF）是一个开源的、跨平台的 C++ 工具包，它的设计目的为开发创造过程提供一个更加简单和直观的框架。

oF 的强大之处在于，它不仅是一个通用的胶水（glue），同时它还封装了多种常用的库，包括：

OpenGL、GLEW、GLUT、libtess2、cairo - 用于处理图形；
rtAudio、PortAudio、OpenAL、Kiss FFT、FMOD - 用于音频的输入、输出和分析；
FreeType - 用于字体显示；
FreeImage - 用于图像存储和载入；
Quicktime、GStreamer、videoInput - 用于视频播放和截取；
Poco - 用于开发网络应用；
OpenCV - 用于计算机视觉；
Assimp - 用于读入 3D 模型。

这些库虽然遵循着不同的规则和用法，但 oF 在它们基础上提供了一个通用的接口，使得使用它们变得很容易。

除此之外，oF 的另一亮点在于它具有很好的跨平台特性。目前它支持 5 种操作系统（Windows、OSX、Linux、iOS、Android）以及 4 种集成开发环境（XCode、Code::Blocks、Visual Studio、Eclipse）。

安装和配置 oF

下面介绍如何在 Linux 下安装和配置 oF 。

下载 oF

访问 oF 的官方下载页面，找到适用于你的操作系统和 IDE 的版本，点击下载。例如，我的计算机是 Linux Arch 64位的系统，所以选择的是 code::blocks (64 bit)。

安装依赖

下载完成后，将其解压，开启终端，cd 到解压后目录，例如：

1	$ cd $HOME/Documents/programming/openFrameworks

之后，根据你的 Linux 发行版的不同，cd 进入 scripts/linux/<操作系统发行版名称> ，例如：

1	$ cd scripts/linux/archlinux

执行两个命令，安装 code::block 和其他依赖（需要 root 权限）：

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$ sudo ./install_codeblocks.sh
$ sudo ./install_dependencies.sh
$ sudo ./install_codecs.sh

编译 oF

安装完依赖后，回到上一级目录：

$ cd ..

编译 oF：

1	$ ./compileOF.sh

编译过程中，如果你和我一样遇到找不到 freetype.h 的问题，可能是 FreeType 在 2.5.1 之后改变了头文件的结构导致的。需要将根目录里的 /libs/openFrameworks/graphics/ 目录下的 ofTrueTypeFont.cpp 开头部分改为：

#include "ft2build.h"
/* Corrected setup of include files for freetype as of 2.5.1 dh
#include "freetype2/freetype/freetype.h"
#include "freetype2/freetype/ftglyph.h"
#include "freetype2/freetype/ftoutln.h"
#include "freetype2/freetype/fttrigon.h"
*/
#include FT_FREETYPE_H
#include FT_GLYPH_H
#include FT_OUTLINE_H
#include FT_TRIGONOMETRY_H

此时的 oF 已经可以工作了。我们可以测试它提供的示例。cd 到根目录里的 /examples/gui/guiExample/ 目录，编译该工程并执行：

1 2	$ make $ make run

将会运行一个界面如下图的程序。与左侧面板里的控件交互将可以改变该形状的属性（多阅读 example 的示例代码是个好习惯）。

编译项目生成器

为了方便日后创建工程，oF 还提供了一个项目生成器 projectGenerator 。使用它前同样需要先编译。回到 compileOF.sh 脚本所在的目录，敲入如下命令：

1	$ ./compilePG.sh

完成后，在 oF 的根目录下找到 projectGenerator 目录，进去里面可以找到 projectGenerator ，我们可以执行它：

1 2	$ cd ../../projectGenerator $ ./projectGenerator

程序界面如下图所示。点击左侧的每个黑色按钮将可以修改项目名、生成路径，以及依赖的插件（Addon)。

点击右下角的 GENERATE PROJECT 按钮后，将会在 Path 字段指定的路径中生成一个项目，如上图所示就是 /home/ehome/Documents/programming/openframeworks/apps/myApps/mySketch ：

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$ cd /home/ehome/Documents/programming/openframeworks/apps/myApps
$ ls
addons.make  bin  config.make  Makefile  mySketch.cbp  mySketch.workspace  src

其中：

addons.make 文件 - 用于维护这个工程所依赖的插件列表；
config.make 文件 - 用于添加查找路径，修改优化标记以及其他的设置；
Makefile 文件 - 工程的 Makefile ，一般不需要直接修改它。在 oF 中，make 的目标包括：
- Debug：生成带有调试标记的可执行程序；
- Release：生成经编译器优化的可执行程序；
- clean：清除目标文件和可执行程序；
- CleanDebug：只清除 debug 目标的生成结果；
- CleanRelease：只清除 release 目标的生成结果；
- help：打印帮助信息；
- run：执行生成的可执行程序。
mySketch.cbp 和 mySketch.workspace 文件 - Code::Blocks 的工程文件。

注册环境变量

我们可以看看 Makefile 文件的内容：

$ cat Makefile
# Attempt to load a config.make file.
# If none is found, project defaults in config.project.make will be used.
ifneq ($(wildcard config.make),)
        include config.make
endif

# make sure the the OF_ROOT location is defined
ifndef OF_ROOT
    OF_ROOT=../../..
endif

# call the project makefile!
include $(OF_ROOT)/libs/openFrameworksCompiled/project/makefileCommon/compile.project.mk

如上所示，编译 openFrameWorks 的工程时，系统需要从 oF 的根路径中引入另一个名为 compile.project.mk 的 Makefile，这个根路径存储在 OF_ROOT 变量中，默认值是 ../../.. ，即当前目录往上三级的目录。之所以使用这个默认值，是因为使用 projectGenerator 生成的项目都默认存放在 oF根目录/apps/myApps 目录下。为了方便在其他地方创建和编译工程，可以人为地定义一个 OF_ROOT 变量。将下面这一行添加到用户主目录下的 .bashrc 文件中：

1	export OF_ROOT=<你的 oF 根目录>

入门实例

接下来将介绍如何开发基于 oF 的 C++ 程序。本文主要参考了 Jeff Crouse 所编写的教程 ofTutorials - Chapter 1 - Getting Started。

testApp.cpp

双击 mySketch.cbp 文件，打开 Code::Blocks 开发环境，在左边的项目管理器中双击打开 test.App 文件。如下图所示：

testApp.cpp 将会是你的好朋友。在编辑窗口中，你可以看到如下的内容：

#include "testApp.h"
 
//--------------------------------------------------------------
void testApp::setup(){
 
}
 
//--------------------------------------------------------------
void testApp::update(){
 
}
 
//--------------------------------------------------------------
void testApp::draw(){
 
}
 
//--------------------------------------------------------------
void testApp::keyPressed(int key){
 
}

...

上面的代码包含了 4 类函数：

setup - 这个函数将在应用程序生命期的最开始就被调用，甚至在你编写的程序窗口打开之前。利用这个函数，我们可以做一些准备工作，例如在窗口打开之前，先修改窗口的大小；
update 和 draw - 当 setup 函数运行完成后，系统将进入一个 update 和 draw 不断交替运行的循环，这个循环将持续到程序结束。也就是说，setup() 运行完成后，update() 开始运行，然后是 draw() ，然后又是 update() ，然后又是 draw() …… （这个交替频率就是帧率，它的默认值取决于你的电脑的处理速度）。update() 通常用来更新你的程序的状态（例如改变变量的值），而 draw() 则常用来在你的窗口中绘制内容；
keyPressed、keyReleased、mouseMoved、mouseDragged、mousePressed、mouseReleased、windowResized, gotMessage、dragEvent - 与前面三种函数不同，这类函数仅当用户触发某类事件才会被调用。

我们先试着直接编译这个项目，此时的程序窗口里还没有东西：

绘制图形

之后，我们可以试着在窗口中画一个圆。oF 提供了 ofCircle 函数用于绘制圆。

往 draw 函数里头添加一句内容，：

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void testApp::draw(){
    ofCircle(200, 300, 60);
}

第二行告诉系统在坐标 (200, 300) 处画一个半径为 60 的圆。

添加颜色

现在这个圆看起来很单调，可以给这个圆添加颜色。oF 提供了 ofSetColor 函数用于设置颜色。将 draw() 函数改为：

void testApp::draw(){
    ofSetColor(255, 0, 255);
    ofCircle(200, 300, 60);
}

新加的这一行（第2行）告诉系统在绘制图形前选择一个颜色，这个颜色的 R、G、B 三原色的色值分别为 (255, 0, 255) 。

我们可以用同样的方法再画一个青色的圆：

void testApp::draw(){
    ofSetColor(255, 0, 255);
    ofCircle(200, 300, 60);
 
    ofSetColor(0, 255, 255);
    ofCircle(500, 500, 100);
}

其他的形状

除了画圆，oF 也可以画其他的图案：

ofRect - 画一个矩形。参数是：(x, y, width, height) ；
ofTriangle - 画一个三角形。参数是三个顶点的坐标：(x1, y1, x2, y2, x3, y3)
ofLine - 画一条线段。参数是两个端点的坐标 (x1, y1, x2, y2)
ofEllipse - 画椭圆。参数是：(x, y, width, height)
ofCurve - 画一条从点 (x1, y1) 到 (x2, y2) 的贝塞尔曲线，曲线的形状由两个控制点 (x0, y0) 和 (x3, y3) 控制。控制点比较难以掌握。如果你用过 Photoshop 里的钢笔工具，你大概就会明白是怎么一回事。

让形状动起来

接下来我们将编写代码让窗口里的图形动起来。主要的思路就是用两个变量控制圆的坐标，然后在程序的运行过程中改变这个变量。在 test.cpp 文件的开头声明两个变量，分别用于存放圆的 x 坐标和 y 坐标：

#include "testApp.h"
 
int myCircleX;
int myCircleY;

在 setup() 函数中为这两个变量添加初始值（别忘了前面介绍的每类函数的用途）。

void testApp::setup(){
    myCircleX = 0;
    myCircleY = 200;
}

用这两个变量绘制图形：

void testApp::draw(){
    ofSetColor(255, 0, 255);
    ofCircle(myCircleX, myCircleY, 60);
}

要在运行过程中修改这两个变量，可以在 update() 函数中编写相关代码。例如，让这个圆一直向右移动，当超出屏幕时，再回到原来开始的地方：

void testApp::update(){
    myCircleX++;
    if (myCircleX > ofGetWindowWidth())
        myCircleX = 0;
}

其中，第 3 行的 ofGetWindowWidth() 函数用来获取窗口的宽度（如果不考虑拉伸窗口，也可以用 1024 这个值代替，因为 oF 的默认窗口大小是 1024x768 ）。

改变帧率

你可能会发现上面的程序在运行的时候有一个问题：圆圈的运动存在时快时慢的情况。如前面所说，这是由于你的程序的帧率，或者说 update() 函数和 draw() 函数交替执行的频率不稳定造成的。在 draw() 函数中添加下面这一行代码可以在窗口的左上方显示帧率信息：

1	ofDrawBitmapString(ofToString(ofGetFrameRate())+"fps", 10, 15);

你可以发现这个数值会在程序运行的过程中存在较大波动，尤其是当你同时还在执行其他耗费计算资源的任务时，这个数值会下降得更加明显，相应的这个圆圈的运动速度也会跟着变慢。

让窗口中的动画变得更加平滑的方法是把帧率限制在一个合理的值，例如 60 fps ：

void testApp::setup(){
    ofSetFrameRate(60);
 
    myCircleX = 300;
    myCircleY = 200;
}

如果你觉得经过这么一改动之后这个圆圈慢的让你无法忍受，你可以通过修改圆圈的移动速度来加速。例如：

void testApp::update(){
    myCircleX+=4;
    if (myCircleX > ofGetWindowWidth())
        myCircleX = 0;
}

添加交互

接下来，我们将为这个程序添加键盘和鼠标的交互。要添加键盘交互，可以通过修改 keyPressed() 函数和 keyReleased() 函数来完成。其中，keyPressed() 捕获的是按下键盘按键的事件，而 keyReleased() 捕获的是松开键盘按键的事件（额外提一下， oF 似乎并不能很好的识别 DVORAK 等其他键盘布局。解决方法见这个帖子。）。

例如：

void testApp::keyPressed(int key){
    if('w' == key || 'W' == key)
    {
        myCircleY-=4;
    }
    if('s' == key || 'S' == key)
    {
        myCircleY+=4;
    }
    if('a' == key || 'A' == key)
    {
        myCircleX-=4;
    }
    if('d' == key || 'D' == key)
    {
        myCircleX+=4;
    }
}

将通过 w 、s、a、d 四个按键控制圆圈的运动。出于鲁棒性考虑，小写和大写的字母都要考虑进去，因为按键是通过十进制的 ASCII 码来判断的，而大写字母和小写字母的 ASCII 码是不同的。上面的代码也可以等价的用 ASCII 码来代替（温馨小提示：Linux 下可以通过 man ascii 查询每个字母对应的 ASCII 编码。一般人我不告诉他）：

void testApp::keyPressed(int key){
    if(119 == key || 87 == key)  // w key
    {
        myCircleY-=4;
    }
    if(115 == key || 83 == key)  // s key
    {
        myCircleY+=4;
    }
    if(97 == key || 65 == key)  // a key
    {
        myCircleX-=4;
    }
    if(100 == key || 68 == key)  // d key
    {
        myCircleX+=4;
    }
}

添加鼠标事件则通过修改 mouseMoved() 、mouseDragged()、mousePressed() 和 mouseReleased() 来完成，顾名思义，分别捕获的是鼠标的移动、拖拽、单击、松开操作。

void testApp::mouseMoved(int x, int y ){
 
}
 
void testApp::mouseDragged(int x, int y, int button){
 
}
 
void testApp::mousePressed(int x, int y, int button){
 
}
 
void testApp::mouseReleased(int x, int y, int button){
 
}

例如，我们可以编写代码实现鼠标拖动圆圈：

void testApp::mouseDragged(int x, int y, int button){
    if (0 == button) { // left button
        float distance = ofDist(myCircleX, myCircleY, x, y);

        if (distance < 100){
            myCircleX = x;
            myCircleY = y;        
        }
    }
}

第 2 行用于判断触发此事件的按键是否为左键；第 3 行的 ofDist() 函数用于计算鼠标当前位置和圆心的距离。如果这个距离小于半径 100 ，则可以判断当前鼠标落在这个圆圈的范围以内，可以用鼠标的位置代替圆心的位置。

其他优化

调整圆圈精度

如果近一点观察圆圈，你可能会发现圆圈的周围有点粗糙。

可以修改圆圈的绘制精度来让圆圈更加平滑。在 setup() 函数中添加这一句：

1	ofSetCircleResolution(120);

抗锯齿和垂直同步

抗锯齿和垂直同步也是常常使用的优化画面的手段：

1 2	ofSetVerticalSync(true); ofEnableSmoothing();

实用的插件

oF 的另外一大杀手锏在于它的社区非常活跃，现在已经开发出了数量可观的第三方插件。这里只收集了极小一部分实用插件。更全面的插件列表可以访问 ofxaddons.com 。什么？有墙？！其实几乎所有插件都是托管在 Github 上的。所以如果在 Github 上搜 “ofx” ，也可以找到这些 oF 插件哦。

ofxUI - 华丽丽的 UI 库。提供了很多新颖而实用的界面控件。
ofxCv - OpenCV 的另一套可选的 oF 插件（oF 自带一个 oFOpenCv 插件）；
ofxLibRocket - 对 librocket 库的封装，这个库允许你使用 html 和 css 来布局 C++ 窗口；
ofxTrueTypeFontUC - 对 ofTrueTypeFont 类的扩展，使其支持 Unicode 字符（例如汉字）；
ofxPCL - 对 PCL（一个专门用于处理点云的库）的封装；
ofxTimeline - 一个用来绘制可编辑的 timeline 控件的插件；
ofxMidi - Midi 音乐的插件；
ofxSpeech - 语音识别插件；
ofxVideoRecorder - 录制视频插件；
ofxImageSequence - 一个用于像播放视频一样播放图像序列的插件；
ofxGifEncoder - 生成 Gif 动画的插件；
ofxVolumetrics - 简单的体绘制插件；
ofxDelaunay -
ofxFft - 对两个用于进行傅里叶变换的库 FFTW 和 KissFFT 的封装；
ofxNodejs - 桥接 Node.js 的插件；
ofxLua - 桥接 Lua 的插件；
ofxBox2d - 对流行的 2D 物理模拟库 box2d 的封装；
ofxBullet - 对另一个物理模拟库 Bullet Physics 的封装；
ofxLearn - 通用的机器学习插件，支持分类、回归、聚类等任务；
ofxJSON - 对 Json 库 JsonCpp 的封装；
ofxHttpServer - 一个基于 libmicrohttpd 的 http 服务器插件；
ofxAddonTemplate - 一个空的目录框架，可以借鉴它自己编写插件（这都有……--bb）。

使用这些插件的方法很简单：

访问这个插件的 Github 项目主页；
复制它的代码仓库地址；
进入你的 oF 根目录下的 addons 目录，git clone 这个项目；
如果这个项目自带 example ，可以直接 make && make run 编译和执行它看看结果。