计算机图形学课程设计报告.docx
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计算机图形学课程设计报告.docx
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计算机图形学课程设计报告
计算机图形学课程设计报告
组号:
第七组
小组成员:
宋洁
邵海军
谷文海
冯新科
学院:
资源环境学院
专业班级:
地科14-2
***********
1实习目的
课程设计是信息与计算科学专业集中实践性环节之一,是学习完《计算机图形学》课程后进行的一次全面的综合练习。
其目的是:
(1)要达到理论与实际应用相结合,使学生能够根据数据对象的特性,学会数据组织的方法,能把现实世界中的实际问题在计算机内部表示出来,并培养良好的程序设计技能。
(2)在实践中认识为什么要学习数据结构,掌握数据结构、程序设计语言、程序设计技术之间的关系,是前面所学知识的综合和回顾。
要求
(1)了解并掌握交互式图形系统的设计方法,具备初步的独立分析和设计能力;
(2)初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能;
(3)提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能;
(4)训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发,培养软件工作者所应具备的科学的工作方法和作风;
(5)培养学生团结协作,共同完成相关课题的能力。
2课程设计题目
人机交互系统三维图形处理及动画实现
题目要求及内容
要求
创建三维立体图形,通过创建菜单及键盘、鼠标事件实现对图形的人机交互式处理。
在理解直线、圆、区域填充、图形裁剪等理论知识的基础上,借助于程序设计语言VC++和OpenGL三维图形库进行小型图形应用软件或三维场景的开发。
本课程课程设计注重图形交互处理的主要实现,包括如下几部分:
三维立体图形人机交互的处理,主要内容包括以下几点:
(1)创建菜单及键盘事件实现对图形的基本处理;
(2)平移、缩放、旋转等计算机图形的几何变换;
(3)图形的裁剪;
(4)平面投影和透视投影;
(5)消隐和光照处理;
(6)动画的绘制及实现。
附:
二维图形的绘制
主要内容包括以下几点:
(1)点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元的的绘制;
(2)点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元属性的设置。
内容分析
定义三维齐次坐标结构和面的结构;定义各图形绕轴旋转的结构及各坐标轴的放缩结构;
定义各个光源的属性及材质表面的属性;
定义键盘输入及鼠标输入对应响应的事件;
定义各菜单对应执行的响应事件;
通过双缓存技术实现动画效果。
实习原理
人机交互
人机交互主要包括鼠标输入、键盘输入以及创建菜单执行对应的处理事件,其基本原理如下:
鼠标:
1)检测鼠标Clicks
GLUT为处理鼠标clicks事件提供了一个方法。
函数glutMouseFunc,这个函数一般在程序初始化阶段被调用。
函数原型如下:
voidglutMouseFunc(void(*func)(intbutton,intstate,intx,inty));
参数:
func:
处理鼠标click事件的函数的函数名。
从上面可以看到到,处理鼠标click事件的函数,一定有4个参数。
第一个参数表明哪个鼠标键被按下或松开,这个变量可以是下面的三个值中的一个:
GLUT_LEFT_BUTTON
GLUT_MIDDLE_BUTTON
GLUT_RIGHT_BUTTON
第二个参数表明,函数被调用发生时,鼠标的状态,也就是是被按下,或松开,可能取值如下:
GLUT_DOWN
GLUT_UP
当函数被调用时,state的值是GLUT_DOWN,那么程序可能会假定将会有个GLUT_UP事件,甚至鼠标移动到窗口外面,也如此。
然而,如果程序调用glutMouseFunc传递NULL作为参数,那么GLUT将不会改变鼠标的状态。
剩下的两个参数(x,y)提供了鼠标当前的窗口坐标(以左上角为原点)。
2)检测动作(motion)
GLUT提供鼠标motion检测能力。
有两种GLUT处理的motion:
activemotion和passivemotion。
Activemotion是指鼠标移动并且有一个鼠标键被按下。
Passivemotion是指当鼠标移动时,并有没鼠标键按下。
如果一个程序正在追踪鼠标,那么鼠标移动期间,每一帧将产生一个结果。
GLUT让我们可以指定两个不同的函数,一个追踪passivemotion,另一个追踪activemotion。
它们的函数原型,如下:
voidglutMotionFunc(void(*func)(intx,inty));
voidglutPassiveMotionFunc(void(*func)(intx,inty));
参数:
Func:
处理各自类型motion的函数名。
处理motion的参数函数的参数(x,y)是鼠标在窗口的坐标。
以左上角为原点。
3)检测鼠标进入或离开窗口
GLUT还能检测鼠标鼠标离开,进入窗口区域。
一个回调函数可以被定义去处理这两个事件。
GLUT里,调用这个函数的是glutEntryFunc,函数原型如下:
voidglutEntryFunc(void(*func)(intstate));
参数:
Func:
处理这些事件的函数名。
上面函数的参数中,state有两个值:
GLUT_LEFT
GLUT_ENTERED
表明,是离开,还是进入窗口。
键盘:
当你按下一个键后,GLUT提供了两个函数为这个键盘消息注册回调。
1)第一个是glutKeyboardFunc。
这个函数是告诉窗口系统,哪一个函数将会被调用来处理普通按键消息。
普通键是指字母,数字,和其他可以用ASCII代码表示的键。
函数原型如下:
voidglutKeyboardFunc(void(*func)(unsignedcharkey,intx,inty));
参数:
func:
处理普通按键消息的函数的名称。
如果传递NULL,则表示GLUT忽略普通按键消息。
这个作为glutKeyboardFunc函数参数的函数需要有三个形参。
第一个表示按下的键的ASCII码,其余两个提供了,当键按下时当前的鼠标位置。
鼠标位置是相对于当前客户窗口的左上角而言的。
2)GLUT提供函数glutSpecialFunc以便当有特殊键按下的消息时,你能注册你的函数。
函数原型如下:
voidglutSpecialFunc(void(*func)(intkey,intx,inty));
参数:
func:
处理特殊键按下消息的函数的名称。
传递NULL则表示GLUT忽略特殊键消息。
菜单:
弹出式菜单(像点鼠标右键出来的菜单那样的)也是GLUT的一部分,虽然它不能实现我们经常看到的windows系统弹出式菜单的所有的功能,但是它也有很大的作用。
给一个程序增加菜单提供了一个比键盘更简单的方法来和程序交互,选择不同选项,而不用去记那些按键。
1)创建菜单:
创建菜单函数glutCreateMenu的原型如下:
intglutCreateMenu(void(*func)(intvalue));
参数:
func:
为新建的菜单处理菜单事件的函数名。
这个函数的返回值是菜单的标识符(menuidentifier)。
2)菜单增加条目:
出来个空菜单也没什么用,使用的函数是glutAddMenuEntry:
voidglutAddMenuEntry(char*name,intvalue);
参数:
name:
菜单名称的字符串。
value:
当你选择菜单里的一项后,这个值就返回给上面的glutCreateMenu里调用的函数。
3)联接鼠标:
必须指定菜单怎么出现,使用GLUT你可以在按下一个鼠标按键后让菜单显示,函数是glutAttachMenu:
voidglutAttachMenu(intbutton);
参数:
button:
一个整数,指定菜单和哪个鼠标键关联起来。
botton可以去下面的值;
GLUT_LEFT_BUTTON
GLUT_MIDDLE_BUTTON
GLUT_RIGHT_BUTTON
用glutAttachMenu来在鼠标和菜单间建立关联,但我们有时候需要断开这种关联。
完成这个工作的函数是glutDetachMenu。
函数原型如下:
voidglutDetachMenu(intbutton);
参数:
button:
要断开的鼠标按键。
Button的取值和glutAttachMenu一样。
最后,如果你想恢复被菜单使用了的资源,我们可以销毁(destroy)它,相应的函数是glutDestroyMenu,它的原型如下:
voidglutDestroyMenu(intmenuIdentifier);
参数:
menuIdentifier:
要销毁的菜单的标识符,它必须和函数glutCreateMenu返回的值相同。
4)子菜单的建立:
和我们前面用的建立菜单的函数一样。
建立菜单后我们把子菜单作为一个条目添加进去。
使用函数glutAddSubMenu来完成这项工作:
voidglutAddSubMenu(char*entryName,intmenuIndex);
参数:
entryName:
子菜单名称。
menuIndex:
子菜单索引,这个就是我们调用glutCreateMenu来创建子菜单返回的值。
动画
计算机动画与实际的动画有些不同,实际的动画都是先画好,播放的时候直接显示出来,计算机动画则是一边画一边显示,通过双缓存技术将后台绘制好的图形与前台图形交换,这样循环反复,屏幕上便呈现出我们所看到的动画。
计算机实现动画主要启动双缓冲功能,在主函数里启用双缓冲:
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_DOUBLE|GLUT_DEPTH);
当每次绘制完成时,我们需要交换两个缓冲区,把绘制好的信息显示到屏幕。
为了完成这一工作,我们在绘图函数里调用glutSwapBuffers()便很好的实现了动画前台与后台的光滑交换显示,达到了动画效果。
几何变换
二维几何图形变换
对于几何变换主要通过与变换矩阵的矩阵运算改变顶点坐标(用齐次坐标)来实现:
例如:
(1)放缩:
(2)旋转:
(3)
关于x轴对称:
(4)关于原点对称:
(5)沿X轴方向的错切变换:
三维几何图形变换:
三维几何图形变换原理同二维几何图形变换,只是采用的变换矩阵为4×4矩阵,空间点[xyz]采用四维齐次坐标[XYZ1]表示。
2、OpenGL环境下的几何变换
基本变换函数:
(1)平移矩阵构造函数为glTranslate
tx,ty,tz指定这个移动物体的矩阵,它们可以是任意的实数值,后缀为f(单精度浮点float)或d(双精度浮点double),对于二维应用来说,tz=。
(2)旋转矩阵构造函数为glRotate
theta,vx,vy,vz指定这个旋转物体的矩阵,物体将绕着(0,0,0)到(x,y,z)的直线以逆时针旋转,参数theta表示旋转的角度。
向量v=(vx,vy,vz)的分量可以是任意的实数值,该向量用于定义通过坐标原点的旋转轴的方向,后缀为f(单精度浮点float)或d(双精度浮点double),对于二维旋转来说,vx=,vy=,vz=。
(3)缩放矩阵构造函数为glScale
sx,sy,sz指定这个缩放物体的矩阵,分别表示在x,y,z方向上的缩放比例,它们可以是任意的实数值,当缩放参数为负值时,该函数为反射矩阵,缩放相对于原点进行,后缀为f(单精度浮点float)或d(双精度浮点double)。
假设当前矩阵为单位矩阵,然后先乘以一个表示旋转的矩阵R,再乘以一个表示移动的矩阵T,最后得到的矩阵再乘上每一个顶点的坐标矩阵v。
那么,经过变换得到的顶点坐标就是((RT)v)。
由于矩阵乘法满足结合率,((RT)v)=R(Tv)),换句话说,实际上是先进行移动,然后进行旋转。
即:
实际变换的顺序与代码中写的顺序是相反的。
由于“先移动后旋转”和“先旋转后移动”得到的结果很可能不同,初学的时候需要特别注意这一点。
由于模型变换都通过矩阵运算来实现,在进行变换前,应先设置当前操作的矩阵为“模型视图矩阵”。
设置的方法是以GL_MODELVIEW为参数调用glMatrixMode函数,像这样:
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
该语句指定一个4×4的建模矩阵作为当前矩阵。
通常,我们需要在进行变换前把当前矩阵设置为单位矩阵。
把当前矩阵设置为单位矩阵的函数为:
glLoadIdentity();
我们在进行矩阵操作时,有可能需要先保存某个矩阵,过一段时间再恢复它。
当我们需要保存时,调用glPushMatrix()函数,它相当于把当前矩阵压入堆栈。
当需要恢复最近一次的保存时,调用glPopMatrix()函数,它相当于从堆栈栈顶弹出一个矩阵为当前矩阵。
OpenGL规定堆栈的容量至少可以容纳32个矩阵,某些OpenGL实现中,堆栈的容量实际上超过了32个。
因此不必过于担心矩阵的容量问题。
通常,用这种先保存后恢复的措施,比先变换再逆变换要更方便,更快速。
注意:
模型视图矩阵和投影矩阵都有相应的堆栈。
使用glMatrixMode来指定当前操作的究竟是模型视图矩阵还是投影矩阵。
OpenGL环境下三维图形变换相关函数:
(1)glMatrixMode(GLenummode)//设置当前矩阵类型
(2)glLoadMatrix{fd}(constTYPE*m)//用指定的矩阵替换当前矩阵
(3)glLoadIdentity(void)//用单位矩阵替换当前矩阵
(4)glMultMatrix{fd}(constTYPE*m)//用当前矩阵去乘*m所指定的矩阵,并将结果存放与*m中
(5)glTranslate{fd}(TYPEx,TYPEy,TYPEz)//平移变换函数
(6)glRotate{fd}(TYPEangle,TYPEx,TYPEy,TYPEz)//旋转变换函数
(7)glScale{fd}(TYPEx,TYPEy,TYPEz)//缩放和反射变换函数
(8)glPushMatrix(void);glPopMatrix(void);//堆栈操作函数
3主要流程图
三维图形处理流程图
图3-1三维图形处理流程图
二维几何画板流程图
图3-2二维几何画板流程图
4主要源程序
主要源程序
程序主要由绘制图形、创建菜单、添加光照、几何变换及视点等基本功能组成,程序实现由以下几个基本图形绘制程序:
voidmyDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glPushMatrix();
glTranslated(0,0,-60);
立方体();
球();
月亮();
路面();
仓库();
房子();
太阳();
行星();
天桥();
glPopMatrix();
glFlush();
glutSwapBuffers();
}
视点设置:
gluLookAt(-1,-1,1,-1,1,1,0,0,1);//XOZ面
gluLookAt(-1,-1,1,-1,-1,0,0,1,0);//XOY面
光照设置:
glEnable(GL_LIGHTING);//启动光照
glDisable(GL_LIGHTING);//关闭光照
注册鼠标事件:
glutMotionFunc(myMouseMotion_旋转);
glutMotionFunc(myMouseMotion_移动);
glutMouseFunc(myMouse_放大);
glutMouseFunc(myMouse_缩小);
主函数:
intmain(intargc,char*argv[])
{
glutInit(&argc,argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_DOUBLE|GLUT_DEPTH);
glutInitWindowPosition(300,50);
glutInitWindowSize(winWidth,winHeight);
glutCreateWindow("计算机图形处理课程设计——三维图形处理");
init();
init1();
glutDisplayFunc(&myDisplay);
glutReshapeFunc(Reshape);
createGLUTMenus();
glutKeyboardFunc(keyboard);
glutIdleFunc(&myAnimate);//设置全局空闲回调函数
glutMainLoop();
return0;
}
图4-1三维图形处理运行初始图形
键盘事件函数
voidkeyboard(unsignedcharkey,intx,inty)
{
switch(key)
{
case'y':
year=(year+1)%360;
if(year==2*(int)(acos/*180/PI))
year=-year;
glutPostRedisplay();break;
case'Y':
year=(year-1)%360;
if(year==-2*(int)(acos/*180/PI))
year=-year;
glutPostRedisplay();break;
default:
break;
}
}
图4-2键盘事件运行图
菜单
创建菜单函数
voidprocessMenuEvents(intoption)
{
switch(option)
{
case恢复:
glutMouseFunc(NULL);
glutMotionFunc(NULL);
glDisable(GL_LIGHTING);
init1();break;
case旋转:
glutMouseFunc(NULL);
glutMotionFunc(myMouseMotion_旋转);break;
case移动:
glutMouseFunc(NULL);
glutMotionFunc(myMouseMotion_移动);break;
case启动光照:
glEnable(GL_LIGHTING);break;
case关闭光照:
glDisable(GL_LIGHTING);break;
case放大:
glutMotionFunc(NULL);
glutMouseFunc(myMouse_放大);break;
case缩小:
glutMotionFunc(NULL);
glutMouseFunc(myMouse_缩小);break;
caseXOZ面:
glLoadIdentity();
gluLookAt(-1,-1,1,-1,1,1,0,0,1);break;
caseXOY面:
glLoadIdentity();
gluLookAt(-1,-1,1,-1,-1,0,0,1,0);break;
default:
break;
}
}
voidcreateGLUTMenus()
{
intmenu,submenu1,submenu2,submenu3;
submenu1=glutCreateMenu(processMenuEvents);
glutAddMenuEntry("启动光照",启动光照);
glutAddMenuEntry("关闭光照",关闭光照);
submenu2=glutCreateMenu(processMenuEvents);
glutAddMenuEntry("旋转",旋转);
glutAddMenuEntry("移动",移动);
glutAddMenuEntry("放大",放大);
glutAddMenuEntry("缩小",缩小);
submenu3=glutCreateMenu(processMenuEvents);
glutAddMenuEntry("XOZ面",XOZ面);
glutAddMenuEntry("XOY面",XOY面);
menu=glutCreateMenu(processMenuEvents);
glutAddSubMenu("环境设置",submenu1);
glutAddSubMenu("几何变换",submenu2);
glutAddSubMenu("视图设置",submenu3);
glutAddMenuEntry("恢复",恢复);
glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);
}
图4-3创建菜单运行图
光照函数
voidinit()
{
GLfloatlight1_ambient[]={,,,};
GLfloatlight1_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight1_specular[]={,,,};
GLfloatlight1_position[]={,,,};
GLfloatlight2_ambient[]={,,,};
GLfloatlight2_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight2_specular[]={,,,};
GLfloatlight2_position[]={,,,};
GLfloatlight3_ambient[]={,,,};
GLfloatlight3_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight3_specular[]={,,,};
GLfloatlight3_position[]={,,,};
GLfloatspot0_direction[]={,,};
GLfloatspot3_direction[]={,,};
glLightfv(GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,light1_ambient);
glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFU
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- 计算机 图形学 课程设计 报告