基于opengl的3D天体运动模型设计方案 精品.docx
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基于opengl的3D天体运动模型设计方案精品
基于opengl的3D天体运动模型
设计方案
学生：
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学号：
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指导老师：
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一、背景简介
1.1设计概述
本3D建模设计运用Win32程序设计的基本原理，基于OpenGL接口函数，以MicrosoftVisualStudio2008为开发工具，以C++语言为开发语言，设计了一个星空背景下的太阳—地球—月球公转自转运动模型，模拟了太阳的光照效果，并实现了可以加速和减速地球和月球的自转、公转速度，而且还可以调整视图的远近和方位，方便各方面的观察。
1.2OpenGL的基本特点
OpenGL即开放图形库（OpenGraphicsLibrary），是一个三维的计算机图形和模型库。
OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计接口，适用于广泛的计算机环境。
从个人计算机到工作站和超级计算机，OpenGL都能实现高性能的三维图形功能。
OpenGL是一个与硬件图形发生器的软件接口，它包括了100多个图形操作函数，开发者可以利用这些函数来构造景物模型、进行三维图形交互软件的开发。
正如上一章所述，OpenGL是一个高性能的图形开发软件包。
OpenGL支持网络，在网络系统中用户可以在不同的图形终端上运行程序显示图形。
OpenGL作为一个与硬件独立的图形接口，它不提供与硬件密切相关的设备操作函数，同时，它也不提供描述类似于飞机、汽车、分子形状等复杂形体的图形操作函数。
用户必须从点、线、面等最基本的图形单元开始构造自己的三维模型。
当然，像OpenInventor那样更高一级的基于OpenGL的三维图形建模开发软件包将提供方便的工具。
因此OpenGL的图形操作函数十分基本、灵活。
它具有如下特点。
（1）图形质量好、性能高。
无论是三维动画、CAD，还是视觉模拟、可视化计算等，都利用了OpenGL高图形质量、高性能的特点。
这个特点使得程序开发者在广播、CAD/CAM/CAE、娱乐、医学图像和虚拟现实等领域中创造和显示出难以想象的2D和3D图形。
（2）行业标准。
OpenGLARB作为独立的联合委员会，制定规范文档（Specification）。
随着业内厂商的支持，OpenGL成为唯一真正开放的、独立于供应商的、跨平台的标准。
（3）稳定性。
OpenGL能够在各种平台上执行，而且OpenGL高版本兼容低版本，保证了已经开发的应用程序不会失效。
（4）可移植性和可靠性。
利用OpenGL技术开发的应用图形软件与硬件无关，只要硬件支持OpenGLAPI标准就行了，也就是说，OpenGL应用程序可以运行在支持OpenGLAPI标准的任何硬件上。
但是，硬件是不断变化的，OpenGL如何保持可移植性呢？
OpenGL扩展（OpenGLExtension）正是为这一目的而设计的。
厂商只要提供OpenGL扩展，就可以轻松实现硬件特有的功能。
利用OpenGL扩展，OpenGL实现者（OpenGLImplementer）也可以添加新的处理算法。
（5）可扩展性。
OpenGL是低级的图形API，它具有充分的可扩展性。
许多OpenGL开发商在OpenGL核心技术规范的基础上，增强了许多图形绘制功能，从而使OpenGL能紧跟最新硬件发展和计算机图形绘制算法的发展。
对于硬件特性的升级可以体现在OpenGL扩展机制以及OpenGLAPI中，一个成功的OpenGL扩展会被融入在未来的OpenGL版本之中。
通过这种方法，程序开发者和硬件厂商能够在正常的产品周期中组合出新的产品。
（6）可适应性。
基于OpenGLAPI的图形应用程序可以运行在许多系统上，包括各种用户电子设备、PC、工作站以及超级计算机。
由此，OpenGL应用程序可以适应开发人员选择的各种目标平台。
（7）易用性。
OpenGL具有良好的结构、直观的设计和逻辑命令。
与其他图形程序包相比，OpenGL只有很少的代码，因此执行速度快。
另外，OpenGL封装了有关基本硬件的信息，使得开发者无须针对具体的硬件特征进行设计。
二、概要设计
2.1程序流程
图1程序运行流程图
本节将对程序具体的实现进行说明。
开始之前要引用程序要求的头文件:
#include//Windows的头文件
#include//OpenGL32库的头文件
#include//Glu32库的头文件
#include//Glaux库的头文件
#include//标准输入/输出库的头文件
#include//math函数库
要加入程序要求的库到链接器中:
#pragmacomment（lib,"opengl32.lib"）//链接时查找OpenGL32.lib
#pragmacomment（lib,"glu32.lib"）//链接时查找glu32.lib
#pragmacomment（lib,"glaux.lib"）//链接时查找glaux.lib
2.1.1注册窗口RegisterWindowClass（Application*application）
（1）定义窗口类：
WNDCLASSEXwindowClass;//窗口类；
（2）清空内存：
ZeroMemory（&windowClass,sizeof（WNDCLASSEX））;//清空内存；
（3）设置窗口类的属性；
窗口类的大小：
windowClass.cbSize=sizeof（WNDCLASSEX）;//窗口类的大小；
重绘：
windowClass.style=CS_HREDRAW|CS_VREDRAW|CS_OWNDC;
//在窗口移动,改变大小的时候重绘；
绑定处理消息的函数：
windowClass.lpfnWndProc=（WNDPROC）（WindowProc）;//用WindowProc函数处理消息；
设置实例：
windowClass.hInstance=application->hInstance;//设置实例
画刷颜色：
windowClass.hbrBackground=（HBRUSH）（COLOR_APPWORKSPACE）;//类背景的画刷颜色；
鼠标指针：
windowClass.hCursor=LoadCursor（NULL,IDC_ARROW）;//载入鼠标指针；
设置类名：
windowClass.lpszClassName=application->className;//设置应用程序的类名；
（4）如果注册失败，返回失败消息。
2.1.2创建窗口CreateWindowGL（GL_Window*window）
（1）设置窗口样式：
DWORDwindowStyle=WS_OVERLAPPEDWINDOW;
设置窗口扩展样式：
DWORDwindowExtendedStyle=WS_EX_APPWINDOW;
（2）设置像素格式描述符：
PIXELFORMATDESCRIPTORpfd；
（3）定义窗口大小：
RECTwindowRect={0,0,window->init.width,window->init.height};
（4）保存像素格式：
GLuintPixelFormat;
（5）开始创建OpenGL窗口，取得程序类名，传入应用程序实例：
window->hWnd=CreateWindowEx（windowExtendedStyle,//窗口扩展样式
window->init.application->className,//应用程序类名
window->init.title,//窗口标题
windowStyle,//窗口样式
0,0,//窗口的XY坐标位置
windowRect.right-windowRect.left,//窗口宽度
windowRect.bottom-windowRect.top,//窗口高度
HWND_DESKTOP,//父窗口为桌面
0,//无菜单
window->init.application->hInstance,//传入应用程序实例
window）;
（6）如果创建失败，返回失败消息；//以下代码略
（7）如果未得到设备描述符，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；
（8）如果选择兼容的像素格式失败，释放设备描述符，设备描述符清零，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；
（9）如果未获得绘制描述表，释放设备描述表，设备描述表清零，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；
（10）显示窗口，清空键盘缓冲区。
2.1.3初始化OpenGLInitialize（GL_Window*window,Keys*keys）
（1）设置全局变量；
（2）建立时钟
（3）初始化绘制场景
清屏：
glClearColor（0.0f,0.0f,0.0f,0.5f）;//清屏为黑色
设置深度缓存：
glClearDepth（1.0f）;
深度测试：
glDepthFunc（GL_LEQUAL）;//选择深度测试方式
glEnable（GL_DEPTH_TEST）;//开启深度测试
阴暗处理：
glShadeModel（GL_SMOOTH）;//阴暗处理采用平滑方式
透视计算：
glHint（GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT,GL_NICEST）;//最精细的透视计算
2D纹理：
LoadTextureGL（）//载入纹理
glEnable（GL_TEXTURE_2D）;//开启D纹理映射
设置环境光：
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,LightAmbient）;
设置漫反射光：
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,LightDiffuse）;
建立一个曲面对象指针：
quadric=gluNewQuadric（）;
建立纹理坐标：
gluQuadricTexture（quadric,GLU_TRUE）;
用面填充：
gluQuadricDrawStyle（quadric,GLU_FILL）;
打开光照：
glEnable（GL_LIGHTING）;
开光源1：
glEnable（GL_LIGHT1）;
设置雾的各种参数：
glFogi（GL_FOG_MODE,GL_LINEAR）;//雾的类型
glFogfv（GL_FOG_COLOR,fogColor）;//雾的颜色
glFogf（GL_FOG_DENSITY,0.6f）;//雾的浓度
glHint（GL_FOG_HINT,GL_DONT_CARE）;//雾的渲染方式
glFogf（GL_FOG_START,1.0f）;//雾的开始深度
glFogf（GL_FOG_END,30.0f）;//雾的终止深度
glEnable（GL_FOG）;//启用雾
用于显示提示文字：
BuildFontGL（）;
2.1.4处理事件WindowProc（HWNDhWnd,UINTuMsg,WPARAMwParam,LPARAMlParam）
（1）取得窗口信息：
GL_Window*window=（GL_Window*）（GetWindowLong（hWnd,GWL_USERDATA））;
（2）取得Window的消息并做相应处理：
switch（uMsg）//取得Window的消息
{
case……
default:
break;
}
returnDefWindowProc（hWnd,uMsg,wParam,lParam）;//将本程序不处理的消息传给DefWindowProc
}
（3）截取系统命令：
caseWM_SYSCOMMAND:
（4）创建窗口：
caseWM_CREATE:
（5）TIMER事件：
caseWM_TIMER:
（6）PAINT消息处理,在此处绘图：
caseWM_PAINT:
（7）关闭窗口：
caseWM_CLOSE:
（8）窗口大小变化：
caseWM_SIZE:
（9）按键按下时更新键盘缓冲：
caseWM_KEYDOWN:
（10）按键松开时更新键盘缓冲：
caseWM_KEYUP:
（11）开关全屏模式：
caseWM_TOGGLEFULLSCREEN:
（12）将本程序不处理的消息传给DefWindowProc（hWnd,uMsg,wParam,lParam）;
2.1.5扫尾处理Deinitialize（void）
（1）释放时钟KillTimer（OGL_window->hWnd,TIMER1）;
（2）删除字体KillFontGL（）;
2.1.6销毁窗口，注销窗口类
DestroyWindowGL（&window）;//销毁窗口
UnregisterClass（application.className,application.hInstance）;//注销窗口类
2.2关键算法
2.2.1绘制模型DrawSceneGL（void）
voidDrawSceneGL（void）//绘制场景
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT）;//清除颜色和深度缓存
glLoadIdentity（）;//重置当前矩阵
//设置观察视点
rad=（float）（PI*s_angle/180.0f）;
centerx=（float）（eyex+100*cos（rad））;
centerz=（float）（eyez+100*sin（rad））;
gluLookAt（eyex,eyey,eyez,
centerx,centery,centerz,
upx,upy,upz）;
//在此处添加代码进行绘制:
//在屏幕上显示字体
glPushMatrix（）;
glTranslatef（-2.0,0.0,-4.0）;//移入屏幕.0f
glDisable（GL_LIGHTING）;//禁用光照
glDisable（GL_TEXTURE_2D）;//禁用纹理
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;
glRasterPos2f（0.7f,1.7f）;
glPrint（"3DEarthAndMoonModel--------PressUp/Down/Left/RightButtontomovethegraph"）;
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;
glRasterPos2f（0.7f,1.5f）;
glPrint（"'space'--speedup"）;
glRasterPos2f（0.7f,1.3f）;
glPrint（"'Delete'--Backwardshifting"）;
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;
glRasterPos2f（0.7f,1.1f）;
glPrint（"3DEarthAndMoonModel--------PressF1buttontotoggleFullScreen,Esctoexit"）;
glEnable（GL_LIGHTING）;//启用光照
glEnable（GL_TEXTURE_2D）;//启用纹理
glPopMatrix（）;
glTranslatef（0.0f,0.0f,-5.0f）;//将坐标系移入屏幕.0f
glRotatef（10,1.0f,0.0f,0.0f）;//将坐标系绕x轴旋转度
glEnable（GL_LIGHT0）;//打开光源
/******************************绘制星空背景********************************/
glPushMatrix（）;//当前模型矩阵入栈
glTranslatef（-10.0f,3.0f,0.0f）;
glRotatef（angle_Z,0.0f,0.0f,1.0f）;
glEnable（GL_TEXTURE_2D）;
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,texture[1]）;//绑定星空纹理
glBegin（GL_QUADS）;
glNormal3f（0.0f,0.0f,1.0f）;
glTexCoord2f（0.0f,0.0f）;glVertex3f（-20.0f,-20.0f,-5.0f）;
glTexCoord2f（6.0f,0.0f）;glVertex3f（20.0f,-20.0f,-5.0f）;
glTexCoord2f（6.0f,6.0f）;glVertex3f（20.0f,20.0f,-5.0f）;
glTexCoord2f（0.0f,6.0f）;glVertex3f（-20.0f,20.0f,-5.0f）;
glEnd（）;
glPopMatrix（）;//当前模型矩阵出栈
/********************************绘制太阳**********************************/
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,texture[2]）;//绑定纹理
glEnable（GL_BLEND）;//开启混合
glDisable（GL_DEPTH_TEST）;//关闭深度测试
//绘制太阳光晕
glDisable（GL_LIGHTING）;//关闭光照
glBlendFunc（GL_SRC_ALPHA,GL_ONE）;//基于源象素alpha通道值的半透明混合函数
glColor4f（1.0f,1.0f,1.0f,0.4f）;//设置RGBA值
glBegin（GL_QUADS）;
glNormal3f（0.0f,0.0f,1.0f）;
glTexCoord2f（0.0f,0.0f）;glVertex3f（-1.0f,-1.0f,0.0f）;
glTexCoord2f（1.0f,0.0f）;glVertex3f（1.0f,-1.0f,0.0f）;
glTexCoord2f（1.0f,1.0f）;glVertex3f（1.0f,1.0f,0.0f）;
glTexCoord2f（0.0f,1.0f）;glVertex3f（-1.0f,1.0f,0.0f）;
glEnd（）;
glDisable（GL_BLEND）;//关闭混合
glEnable（GL_DEPTH_TEST）;
glDisable（GL_TEXTURE_2D）;//关闭纹理
glEnable（GL_LIGHTING）;//开启光照
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_POSITION,LightPosition）;//设置光源的当前位置
gluSphere（quadric,0.3f,32,32）;//绘制太阳球体
/********************************绘制地球*********************************/
glDisable（GL_LIGHT0）;
glRotatef（ep_Angle,0.0f,1.0f,0.0f）;//将坐标系绕Y轴旋转ep_Angle角度控制地球公转
glRotatef（-90.0f,1.0f,0.0f,0.0f）;//将坐标系绕X轴旋转-90度
glEnable（GL_TEXTURE_2D）;//开启纹理
glTranslatef（2.0f,0.0f,0.0f）;//将坐标系右移.0f
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,texture[0]）;//绑定纹理
glPushMatrix（）;//当前模型视图矩阵入栈
glRotatef（es_Angle,0.0f,0.0f,1.0f）;//将坐标系绕Z轴旋转es_Angle角度控制地球自转
gluSphere（quadric,0.2f,32,32）;//地球球体
glPopMatrix（）;//当前模型视图矩阵出栈
/*******************************绘制月亮*********************************/
glRotatef（mp_Angle,0.0f,0.0f,1.0f）;//将坐标系绕Z轴旋转mp_Angle角度控制月亮公转
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,texture[3]）;//绑定纹理
glTranslatef（0.5f,0.0f,0.0f）;//右移.5f
glRotatef（ms_Angle,0.0f,0.0f,1.0f）;//将坐标系绕Z轴旋转ms_Angle角度控制月亮自转
gluSphere（quadric,0.05,32,32）;//绘制月亮星体
//变量更新控制模型活动
ep_Angle+=ep_velocity;
es_Angle+=es_velocity;
mp_Angle+=mp_velocity;
ms_Angle+=ms_velocity;
angle_Z+=0.1f;
glFlush（）;//刷新GL命令队列
};
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