《PyQt6-3D应用开发技术文档》

云空2025-07-11 18:01

PyQt6-3D应用开发技术文档

1. 概述

1.1 PyQt6-3D简介

PyQt6是Python语言的Qt6框架绑定，提供了丰富的GUI开发工具。其中，PyQt6-3D模块为开发3D应用程序提供了强大支持，允许开发者创建交互式3D场景、模型和动画。通过PyQt6-3D，开发者可以将3D功能集成到桌面应用、教育软件、医学可视化工具、建筑设计等多种领域。

1.2 应用场景

PyQt6-3D的应用场景非常广泛，主要包括但不限于以下领域：

  • 医学可视化：3D医学影像展示与分析
  • 建筑与室内设计：3D模型展示与交互
  • 教育培训：虚拟实验与教学模拟
  • 机器人路径规划：环境建模与路径仿真
  • 产品虚拟装配与维修训练
  • 地理信息系统：3D地形与城市建模
  • 游戏开发辅助工具

1.3 开发环境准备

在开始使用PyQt6-3D开发前，需要安装相应的库：

bash 复制代码 
pip install PyQt6 PyOpenGL numpy

本文中的代码示例还可能使用到其他库，如Open3D用于模型加载，可根据需要安装：

bash 复制代码 
pip install open3d

2. 基础图形与交互

2.1 简单3D图形绘制：立方体的呈现

2.1.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QWidget
from PyQt6.QtGui import QPainter, QColor
from PyQt6.QtOpenGLWidgets import QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *

class CubeWidget(QOpenGLWidget):
    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHT0)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE)
        glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        glBegin(GL_QUADS)
        # 前面
        glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)  # 红色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        # 后面
        glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)  # 绿色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        # 上面
        glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)  # 蓝色
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        # 下面
        glColor3f(1.0, 1.0, 0.0)  # 黄色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 左面
        glColor3f(1.0, 0.0, 1.0)  # 品红色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 右面
        glColor3f(0.0, 1.0, 1.0)  # 青色
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glEnd()

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(45.0, float(w) / float(h), 0.1, 100.0)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    cube_widget = CubeWidget()
    cube_widget.show()
    sys.exit(app.exec())
2.1.2 代码解析

这段代码实现了一个基本的3D立方体渲染。主要包含三个核心方法：

  • initializeGL()：初始化OpenGL环境，启用深度测试、光照和材质处理。
  • paintGL() ：绘制3D场景，使用glBegin(GL_QUADS)和glEnd()定义立方体的六个面，每个面设置不同颜色。
  • resizeGL()：处理窗口大小变化，设置透视投影矩阵。
2.1.3 技术要点
  1. 深度测试 ：通过glEnable(GL_DEPTH_TEST)启用深度测试，确保3D物体正确显示前后关系。
  2. 光照模型 ：使用glEnable(GL_LIGHT0)和glEnable(GL_LIGHTING)启用光照效果，使立方体有明暗变化。
  3. 坐标系统：OpenGL使用右手坐标系，x轴向右，y轴向上，z轴向外。

2.2 3D场景导航控制：自由视角探索

2.2.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QWidget
from PyQt6.QtGui import QPainter, QColor
from PyQt6.QtOpenGLWidgets import QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from PyQt6.QtCore import QTimer, Qt

class NavigableSceneWidget(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.angle_x = 0
        self.angle_y = 0
        self.scale = 1.0
        self.translate_x = 0
        self.translate_y = 0
        self.translate_z = 0
        self.timer = QTimer(self)
        self.timer.timeout.connect(self.update)
        self.timer.start(16)

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHT0)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE)
        glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        glTranslatef(self.translate_x, self.translate_y, self.translate_z)
        glScalef(self.scale, self.scale, self.scale)
        glRotatef(self.angle_x, 1, 0, 0)
        glRotatef(self.angle_y, 0, 1, 0)
        glBegin(GL_QUADS)
        # 前面
        glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)  # 红色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        # 后面
        glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)  # 绿色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        # 上面
        glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)  # 蓝色
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        # 下面
        glColor3f(1.0, 1.0, 0.0)  # 黄色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 左面
        glColor3f(1.0, 0.0, 1.0)  # 品红色
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 右面
        glColor3f(0.0, 1.0, 1.0)  # 青色
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glEnd()

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(45.0, float(w) / float(h), 0.1, 100.0)

    def mouseMoveEvent(self, event):
        if event.buttons() & Qt.MouseButton.LeftButton:
            dx = event.x() - self.width() / 2
            dy = event.y() - self.height() / 2
            self.angle_x += dy * 0.5
            self.angle_y += dx * 0.5
        elif event.buttons() & Qt.MouseButton.RightButton:
            dx = event.x() - self.width() / 2
            self.translate_x += dx * 0.01

    def wheelEvent(self, event):
        delta = event.angleDelta().y()
        if delta > 0:
            self.scale *= 1.1
        else:
            self.scale /= 1.1

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    scene_widget = NavigableSceneWidget()
    scene_widget.show()
    sys.exit(app.exec())
2.2.2 代码解析

此代码在立方体基础上添加了交互功能，允许用户通过鼠标操作控制视角：

  • 初始化：添加旋转角度、缩放比例和平移量等状态变量，启动定时器定时更新画面。
  • 鼠标事件处理 ：
    • 左键拖动：控制场景绕x轴和y轴旋转
    • 右键拖动：控制场景沿x轴平移
    • 鼠标滚轮：控制场景缩放
  • 绘制：在绘制前应用旋转、缩放和平移变换。
2.2.3 技术要点
  1. 变换顺序：变换矩阵的应用顺序很重要，通常先缩放，再旋转，最后平移。
  2. 鼠标事件 ：通过重写mouseMoveEvent和wheelEvent捕获鼠标操作，实现交互控制。
  3. 定时器 ：使用QTimer定时触发画面更新，确保平滑的动画效果。

3. 模型加载与动画

3.1 复杂3D模型加载与展示：虚拟博物馆展品呈现

3.1.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
import open3d as o3d
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout
from PyQt6.QtOpenGLWidgets import QOpenGLWidget
from PyQt6.QtCore import QTimer
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *

class ModelViewerWidget(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = o3d.io.read_triangle_mesh("your_model.obj")
        self.model.compute_vertex_normals()
        self.timer = QTimer(self)
        self.timer.timeout.connect(self.update)
        self.timer.start(16)
        self.angle = 0

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHT0)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE)
        glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        glRotatef(self.angle, 0, 1, 0)
        vertices = self.model.vertices
        triangles = self.model.triangles
        colors = self.model.vertex_colors
        glBegin(GL_TRIANGLES)
        for triangle in triangles:
            for i in range(3):
                vertex_index = triangle[i]
                vertex = vertices[vertex_index]
                if colors:
                    color = colors[vertex_index]
                    glColor3f(color[0], color[1], color[2])
                glVertex3f(vertex[0], vertex[1], vertex[2])
        glEnd()
        self.angle += 1

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(45.0, float(w) / float(h), 0.1, 100.0)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    model_widget = ModelViewerWidget()
    layout = QVBoxLayout()
    layout.addWidget(model_widget)
    main_widget = QWidget()
    main_widget.setLayout(layout)
    main_widget.show()
    sys.exit(app.exec())
3.1.2 代码解析

此代码使用Open3D库加载并显示3D模型：

  • 模型加载 ：使用o3d.io.read_triangle_mesh加载OBJ格式模型，并计算顶点法线以增强光照效果。
  • 绘制 ：遍历模型的所有三角形面，为每个顶点设置坐标和颜色，使用GL_TRIANGLES图元绘制。
  • 动画：通过定时器不断更新旋转角度，实现模型自动旋转。
3.1.3 技术要点
  1. 模型格式：支持多种格式，如OBJ、STL等，但需要确保模型文件路径正确。
  2. 顶点法线：计算顶点法线后，模型的光照效果会更自然，因为法线决定了光线反射方向。
  3. 性能考虑：对于大型模型，直接遍历所有三角形可能导致性能问题，实际应用中可能需要优化。

3.2 动画与交互效果实现：3D世界的动态交互

3.2.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
import random
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout
from PyQt6.QtGui import QPainter, QColor
from PyQt6.QtOpenGLWidgets import QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *
from PyQt6.QtCore import QTimer, Qt

class AnimatedInteractiveWidget(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.cube_x = 0
        self.cube_y = 0
        self.cube_z = 0
        self.rotation_angle = 0
        self.cube_speed_x = 0.05
        self.cube_color = (1, 0, 0)
        self.timer = QTimer(self)
        self.timer.timeout.connect(self.update)
        self.timer.start(16)

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHT0)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE)
        glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        glTranslatef(self.cube_x, self.cube_y, self.cube_z)
        glRotatef(self.rotation_angle, 1, 1, 0)
        # 绘制立方体
        glBegin(GL_QUADS)
        # 前面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        # 后面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        # 上面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        # 下面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 左面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(-0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, -0.5)
        glVertex3f(-0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(-0.5, -0.5, 0.5)
        # 右面
        glColor3f(self.cube_color[0], self.cube_color[1], self.cube_color[2])
        glVertex3f(0.5, -0.5, -0.5)
        glVertex3f(0.5, -0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, 0.5)
        glVertex3f(0.5, 0.5, -0.5)
        glEnd()
        
        # 更新动画状态
        self.cube_x += self.cube_speed_x
        self.rotation_angle += 2
        
        # 边界检测
        if self.cube_x > 2 or self.cube_x < -2:
            self.cube_speed_x *= -1
            # 随机改变颜色
            self.cube_color = (random.random(), random.random(), random.random())

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(45.0, float(w) / float(h), 0.1, 100.0)

    def mousePressEvent(self, event):
        if event.button() == Qt.MouseButton.LeftButton:
            # 随机改变颜色
            self.cube_color = (random.random(), random.random(), random.random())

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    widget = AnimatedInteractiveWidget()
    widget.show()
    sys.exit(app.exec())
3.2.2 代码解析

此代码实现了一个具有动画和交互功能的立方体：

  • 动画：立方体沿x轴移动并自转，到达边界时改变移动方向和颜色。
  • 交互：点击左键随机改变立方体颜色。
  • 定时器：使用定时器控制动画更新频率，确保流畅的动画效果。
3.2.3 技术要点
  1. 动画原理：通过在每一帧更新物体的位置和旋转角度，实现动画效果。
  2. 事件处理 ：通过重写mousePressEvent捕获鼠标点击事件，实现交互功能。
  3. 边界检测：检测物体位置是否超出边界，实现反弹效果。

4. 医学可视化领域

4.1 3D人体器官模型展示

4.1.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget
from PyQt6.QtCore import QTimer
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *

class OrganViewer(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.rotation = [0, 0]
        self.timer = QTimer(self)
        self.timer.timeout.connect(self.update)
        self.timer.start(16)

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHT0)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE)
        glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        gluLookAt(5, 5, 5, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
        glRotatef(self.rotation[0], 1, 0, 0)
        glRotatef(self.rotation[1], 0, 1, 0)
        
        # 绘制简化肝脏模型（球体模拟）
        glColor3f(0.6, 0.2, 0.2)
        gluSphere(gluNewQuadric(), 1.5, 30, 30)
        
        # 绘制简化肾脏模型（两个小球体）
        glPushMatrix()
        glTranslatef(-2, 0, 0)
        glColor3f(0.2, 0.6, 0.2)
        gluSphere(gluNewQuadric(), 0.8, 30, 30)
        glPopMatrix()
        
        glPushMatrix()
        glTranslatef(2, 0, 0)
        glColor3f(0.2, 0.6, 0.2)
        gluSphere(gluNewQuadric(), 0.8, 30, 30)
        glPopMatrix()
        
        self.rotation[1] += 0.5

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(60, w/h, 0.1, 50)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    viewer = OrganViewer()
    viewer.show()
    sys.exit(app.exec())
4.1.2 代码解析

此代码使用简单几何形状模拟人体器官：

  • 器官模型：使用球体模拟肝脏和肾脏，不同颜色区分不同器官。
  • 动画：器官模型绕y轴缓慢旋转，便于从各个角度观察。
  • 光照：启用光照效果，使器官模型具有立体感。
4.1.3 技术要点
  1. 几何建模：使用基本几何形状（如球体、圆柱体）模拟复杂器官，简化建模过程。
  2. 材质与颜色：通过不同颜色区分不同器官，提高可视化效果。
  3. 交互旋转：实现360度旋转，便于医生或研究人员全面观察器官结构。

4.2 医学影像切片3D重建预览

4.2.1 代码实现
python 复制代码 
# 简化版CT切片3D重建预览
import sys
import numpy as np
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *

class CTReconstructor(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        # 生成模拟CT切片数据
        self.slice_data = np.random.rand(5, 30, 30)  # 5层切片，每层30x30像素

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        gluLookAt(0, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
        
        # 绘制体素点
        step = 0.5
        glBegin(GL_POINTS)
        for z in range(5):
            for x in range(30):
                for y in range(30):
                    value = self.slice_data[z, x, y]
                    glColor3f(value, value, value)  # 灰度值表示
                    glVertex3f(x*step-7.5, y*step-7.5, z*step-1)
        glEnd()

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(60, w/h, 0.1, 50)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    win = CTReconstructor()
    win.show()
    sys.exit(app.exec())
4.2.2 代码解析

此代码模拟CT切片的3D重建过程：

  • 数据生成：使用随机数生成模拟CT切片数据，实际应用中应替换为真实的医学影像数据。
  • 体素绘制：将每个像素值转换为3D空间中的一个点，点的亮度表示像素值大小。
  • 视角控制：设置合适的视角，便于观察3D重建效果。
4.2.3 技术要点
  1. 体素表示：将2D切片数据转换为3D体素表示，是医学影像3D重建的基础。
  2. 透明度处理：实际应用中，通常需要根据像素值设置不同的透明度，以便更好地观察内部结构。
  3. 数据格式：真实医学影像数据通常采用DICOM格式，需要使用专门的库（如pydicom）进行读取和处理。

5. 建筑与室内设计展示

5.1 简单房间3D模型

5.1.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GLU import *

class RoomViewer(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.angle = 0

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glEnable(GL_LIGHTING)
        glEnable(GL_LIGHT0)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        gluLookAt(8, 5, 8, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
        glRotatef(self.angle, 0, 1, 0)
        self.angle += 0.2
        
        # 绘制房间墙壁
        glColor3f(0.9, 0.9, 0.9)  # 墙壁白色
        # 地面
        glBegin(GL_QUADS)
        glVertex3f(-5, 0, -5)
        glVertex3f(5, 0, -5)
        glVertex3f(5, 0, 5)
        glVertex3f(-5, 0, 5)
        glEnd()
        
        # 绘制家具（桌子）
        glPushMatrix()
        glTranslatef(-2, 0, -2)
        glColor3f(0.6, 0.3, 0.1)  # 木色
        # 桌面
        glPushMatrix()
        glScalef(2, 0.1, 1.5)
        glutSolidCube(1)
        glPopMatrix()
        # 桌腿
        for pos in [(-0.8, 0, -0.6), (0.8, 0, -0.6), (-0.8, 0, 0.6), (0.8, 0, 0.6)]:
            glPushMatrix()
            glTranslatef(pos[0], -1, pos[2])
            glScalef(0.1, 2, 0.1)
            glutSolidCube(1)
            glPopMatrix()
        glPopMatrix()

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(60, w/h, 0.1, 50)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    room = RoomViewer()
    room.show()
    sys.exit(app.exec())
5.1.2 代码解析

此代码创建了一个简单的房间3D模型：

  • 房间结构：绘制了地面和简单的墙壁。
  • 家具模型：添加了一张桌子，包括桌面和桌腿。
  • 动画：房间缓慢旋转，便于全方位观察。
5.1.3 技术要点
  1. 层次结构 ：使用glPushMatrix()和glPopMatrix()管理变换矩阵，便于构建复杂场景。
  2. 材质模拟：通过颜色模拟不同材质，如白色墙壁和木色家具。
  3. 比例缩放 ：使用glScalef()调整物体大小，确保各部分比例协调。

5.2 可切换材质的墙面展示

5.2.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget, QComboBox, QVBoxLayout, QWidget
from PyQt6.QtCore import Qt
from OpenGL.GL import *

class WallMaterialViewer(QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.viewer = WallGLWidget()
        self.combo = QComboBox()
        self.combo.addItems(["白色涂料", "木质", "石材"])
        self.combo.currentIndexChanged.connect(self.viewer.change_material)
        
        layout = QVBoxLayout(self)
        layout.addWidget(self.viewer)
        layout.addWidget(self.combo)
        self.show()

class WallGLWidget(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.material = 0  # 0:涂料 1:木质 2:石材

    def change_material(self, idx):
        self.material = idx
        self.update()

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        gluLookAt(0, 3, 5, 0, 2, 0, 0, 1, 0)
        
        # 根据材质设置颜色
        if self.material == 0:
            glColor3f(0.9, 0.9, 0.9)
        elif self.material == 1:
            glColor3f(0.7, 0.4, 0.2)
        else:
            glColor3f(0.5, 0.5, 0.5)
            
        # 绘制墙面
        glBegin(GL_QUADS)
        glVertex3f(-3, 0, 0)
        glVertex3f(3, 0, 0)
        glVertex3f(3, 4, 0)
        glVertex3f(-3, 4, 0)
        glEnd()

    def resizeGL(self, w, h):
        glViewport(0, 0, w, h)
        glMatrixMode(GL_PROJECTION)
        glLoadIdentity()
        gluPerspective(60, w/h, 0.1, 50)

if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    win = WallMaterialViewer()
    sys.exit(app.exec())
5.2.2 代码解析

此代码实现了墙面材质的动态切换功能：

  • 用户界面：使用下拉框选择不同的墙面材质。
  • 材质模拟：通过改变墙面颜色模拟不同材质效果。
  • 交互更新：选择不同材质时，触发重绘事件更新显示。
5.2.3 技术要点
  1. 事件处理：使用信号槽机制连接下拉框的选择事件和OpenGL组件的更新函数。
  2. 材质系统：实际应用中可使用纹理映射替代简单的颜色模拟，实现更真实的材质效果。
  3. 用户交互：提供直观的界面元素，使用户能够方便地预览不同材质效果。

6. 教育培训中的虚拟实验

6.1 3D分子结构展示

6.1.1 代码实现
python 复制代码 
import sys
import math
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget
from OpenGL.GL import *

class MoleculeViewer(QOpenGLWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.rotation = 0

    def initializeGL(self):
        glEnable(GL_DEPTH_TEST)

    def paintGL(self):
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
        glLoadIdentity()
        gluLookAt(5, 5, 5, 0, 0, 0, 0, 1, 0)
        glRotatef(self.rotation, 0, 1, 0)
        self.rotation += 0.5
        
        # 绘制水分子结构（O原子+2个H原子）
        # 氧原子
        glColor3f(
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