机器人程序设计报告.docx
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机器人程序设计报告
机器人程序设计报告
【软件使用说明】
本程序主要功能有：
播放一段程序员预选制作好的机器人运动动画，用户可以通过细节窗口观察机器人，也可通过全局观察窗口观察机器人在整个场景中的运动。
程序拥有一个主窗口，三个子窗口。
其中主窗口拥有四个菜单选项，订制动画子窗口拥有一个菜单项。
菜单项通过右键点击弹出。
主窗口菜单功能介绍：
重播：
可以让用户重复观看预制动画或者自制动画。
规定动作模式：
此模式下可播放程序员事先制作好的一段动画。
自选动作播放模式：
播放用户制作好的一段动画。
自选动作设计模式：
在此模式下用户可通过自制动画窗口提供的功能制作机器人动画。
订制动画子窗口菜单功能介绍：
添加动作功能：
当用户制作完成一个关键帧后可使用此菜单功能将关键帧加入到链表中。
【实验目的】
本实验目的：
1、通过编程深入理解的计算机图形学原理
2、掌握基本的图元绘制
3、熟悉程序的编写过程
4、了解程序与用户的交互过程
【实验内容】
编程实现以下功能：
1、制作一个三维场景，场景主体为机器人
2、机器人可在场景中作一些运动
3、机器人运动以动画的形式表现出来
4、向用户提供一个交互的平台使用户可以自己制作机器人动画
【原理解析】
1、文字界面。
文字界面是必要的一个模块，它可以帮助用户更好的去使用程序，也可以帮助程序员推销自己的软件。
英文输出：
通过glut库给定的voidglutBitmapCharacter（void*font,intcharacter）函数可以在窗口中显示单个英文字符，并且可以指定font（字体），既然可以显示单个字符，那么自然可以显示字符串，使用glRasterPos2i（intPosx,intPosy）函数可以指定当前需要显示的字符的位置，在显示完一个字符后此位置会自动水平移动，因此结合这两个函数可实现英文字符串的指定位置输出功能。
中文输出：
相对英文输出来说，中文输出有很多的优势。
首先，程序员的母语是中文，那么当程序员如果能使用中文输出则可更贴切地表达想要传递给用户的信息，在某些时候甚至只能用中文才能表达清楚。
其次，用户的母语也基本上是中文，并且英文水平也各不相同，在这样的情况下中文输出就显得更加必要了。
再次，窗口用于文字输出的空间是有限的，这就使得精炼的或者说占用空间小的文字表达显得很重要，而这一点上中文明显优于英文。
中文显示的实现分下面几个步骤：
从文件中读取汉字点阵信息
获取某个汉字的双ASC码值
根据获得的ASC码值在内存中找到相应得汉字点阵数据
使用gl库中的位图显示功能将汉字输出到指定位置
本程序使用的汉字点阵为16X16宋体字体，字库文件为HKZ16，大小为261K，因此需要开辟261K大小的内存并读入此文件全部信息。
一个汉字是由两个ASC码组成的，而英文字符（包括其它常用字符如数字等）则只由一个ASC码代表。
汉字的前一个ASC码值是大于128的，而英文字符（包括其它常用字符如数字等）的ASC码值全是小于等于128的，这是判断一个字符是否为汉字的重要标志。
汉字的前一个ASC码称为区码，后一个称为位码，这两个数的大小与汉字点阵信息在字库文件中的位置有关。
在字库文件中找汉字信息就好比在某小区找人，区码就相当于此人所在的楼号，而位码则相当于此人所在的房间号，给定了楼号与房间号那么人就可以找到了。
找到点阵信息后可以使用gl库中的glBitmap（）函数来显示出来，此函数的用法就不再赘述。
中英文混合显示：
中文显示固然很不错，但是在某些情况下英文字符又不可缺少，比如数字，运算符等等。
因此混合显示是最佳的一个解决方式。
混合显示的关键点在于顺序显示字符串中的字符时判断当前字符是中文还是英文字符，前面提到过汉字的前一个ASC码值是大于128的，而英文字符则小于等于128，这样就顺利地解决了辨认问题，从而实现了混合显示，增加了程序员队界面的掌握和对程序的表达能力。
2、多窗口系统
采用多窗口而不是单个窗口的好处不言而喻。
本程序采用在主窗口下开辟三个子窗口的方式来实现多窗口系统。
三个窗口分别是：
细节观察窗口、摄像机观察窗口、文字信息窗口。
其作用分别是：
细节观察可让用户比较细致的看到机器人的动作，这一点在用户设计动作模块中显得非常重要；摄像机观察窗口可以让用户对整个场景有个全局的把握；文字信息窗口主要显示与机器人动作相关的各项参数，用户可通过此窗口的互动功能来改变这些参数，而参数的改变将直接影响其它两个窗口的图像，从而使得用户设计得以实现。
细节窗口功能简介：
此窗口的主要功能就是让用户可以细致地观察机器人的动作，因此观察点设置在离机器人较近的位置，并且在绘制时始终不改变机器人在世界坐标系中的位置，从而保证了画面始终是特写。
摄像机观察窗口（全局观察窗口）功能简介：
此窗口的主要功能是让用户可以观察到场景的全局，当机器人在较大范围内活动时，比如做走、跑、跳等动作时用户可以比较全面的观察它。
订制自选动作窗口功能简介：
此窗口的主要功能是提供给用户一个平台，使得用户能够自己编辑机器人的动作，并将编辑的各动作作为关键帧，实现动画制作。
3、机器人造型
模型的获得：
造型是程序的最重要的一步，因为它直接影响着视觉效果，因此我在造型上花费的时间超过了其它部分的总和。
所有的造型工作均在另外的程序中完成，在得到满意的模型后将模型上的网格节点的坐标存储到文件中，然后在本程序中载入这些文件即可。
为了使机器人各部分表面达到光滑的效果，我使用了Nurbs曲面，每个部位使用若干张Nurbs曲面拼接而成，每张 Nurbs曲面为4X4的网格，通过调整每个网格节点的坐标值来造就机器人的各部位。
其中脸部模型使用的曲面数多达64张。
模型的自由度：
机器人的自由度决定了机器人动作的丰富程度，是衡量模型好坏的一个重要指标。
本程序中的机器人自由度主要体现在以下几个方面：
臂部：
臂部的自由度主要体现在手臂整体可绕肩关节在x方向与z方向上转动，以及小臂可绕肘关节在x方向与z方向上转动。
腿部：
腿部的自由度与手部相似，主要为腿整体可绕髋关节在x方向与z方向上转动，以及小臂可绕肘关节在x与z方向上转动。
腰部：
腰以上部位可绕腰在z方向上转动，即弯腰动作。
整体：
整体来说，身体可绕x,y,z三个轴线转动，即翻滚、转身、侧斜动作，另外身体中心还可在世界坐标系中任意地平移。
4、动作管理
读者可能会奇怪这个标题为什么叫“动作管理”，下面我来解释一下。
机器人运动的动画实际上是电脑在不同的时刻里显示机器人不同的动作所产生的，因此每一个单个的动作就必须能够快速、简便地被编辑，因为一段很短的动画可能需要许多个动作组合在一起。
要做到快速和简便就需要了解动作形成的机制，将其关键的数据提取出来，并且有效的管理这些数据，这就是上面所说的“动作管理”。
与动作相关的数据：
如上所说，“动作管理”的关键在于提取与动作相关的数据，这些数据决定了动作，那么在此模型下这些数据都指什么呢？
请看下面的表格：
表一
数据名称
数据范围
数据变量名称
右臂绕肩关节在x方向上的转角（度）
-360至360
BigArmangleRightx
右臂绕肩关节在z方向上的转角（度）
-360至360
BigArmangleRightz
左臂绕肩关节在x方向上的转角（度）
-360至360
BigArmangleLeftx
左臂绕肩关节在z方向上的转角（度）
-360至360
BigArmangleLeftz
右小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
-360至360
LitArmangleRightx
右小臂绕肘关节在z方向上的转角（度）
-360至360
LitArmangleRightz
左小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
-360至360
LitArmangleLeftx
左小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
-360至360
LitArmangleLeftz
右腿绕髋关节在x方向上的转角（度）
-360至360
BigLegangleRightx
右腿绕髋关节在z方向上的转角（度）
-360至360
BigLegangleRightz
左腿绕髋关节在x方向上的转角（度）
-360至360
BigLegangleLeftx
左腿绕髋关节在z方向上的转角（度）
-360至360
BigLegangleLeftz
右小腿绕膝关节在x方向上的转角（度）
-360至360
LitLegangleRightx
右小腿绕膝关节在z方向上的转角（度）
-360至360
LitLegangleRightz
左小腿绕膝关节在x方向上的转角（度）
-360至360
LitLegangleLeftx
左小腿绕膝关节在z方向上的转角（度）
-360至360
LitLegangleLeftz
弯腰的角度（度）
-360至360
BowAngle
身体绕x轴转角（度）
-360至360
BodyXAngle
身体绕y轴转角（度）
-360至360
BodyYAngle
身体绕z轴转角（度）
-360至360
BodyZAngle
身体中心在世界坐标系下的x坐标
负无穷至正无穷
BodyCenter[0]
身体中心在世界坐标系下的y坐标
负无穷至正无穷
BodyCenter[1]
身体中心在世界坐标系下的z坐标
负无穷至正无穷
BodyCenter[2]
此动作到下个动作的时间间隔（秒）
零至正无穷
Sec
除了最后一个数据，其它都直接影响机器人的动作。
（最后一个数据对多个动作的组合有影响）
数据与动作的关系：
那么这些数据的改变会在那些细节上影响动作呢？
请看下一个表格：
表二
机器人部位
相关的局部动作
有关联的数据（表一中数据）
头
弯腰
BowAngle
身体
弯腰
BowAngle
右肩关节
弯腰
BowAngle
右上臂
弯腰、绕右肩关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleRightx、BigArmangleRightz
右肘
弯腰、绕右肩关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleRightx、BigArmangleRightz
右下臂
弯腰、绕右肩关节转动（包括x方向与z方向）、饶右肘关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleRightx、BigArmangleRightz、LitArmangleRightx、LitArmangleRightz
左肩关节
弯腰
BowAngle
左上臂
弯腰、绕左肩关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleLeftx、BigArmangleLeftz
左肘
弯腰、绕左肩关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleLeftx、BigArmangleLeftz
左下臂
弯腰、绕左肩关节转动（包括x方向与z方向）、饶左肘关节转动（包括x方向与z方向）
BowAngle、BigArmangleLeftx、BigArmangleLeftz、LitArmangleLeftx、LitArmangleLeftz
右髋关节
不受局部动作影响
/
左髋关节
不受局部动作影响
/
右大腿
绕右髋关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleRightx、BigLegangleRightz
右膝关节
绕右髋关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleRightx、BigLegangleRightz
右小腿
绕右髋关节转动（包括x方向与z方向）、绕右膝关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleRightx、BigLegangleRightz、LitLegangleRightx、LitLegangleRightz
左大腿
绕左髋关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleLeftx、BigLegangleLeftz
左膝关节
绕左髋关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleLeftx、BigLegangleLeftz
左小腿
绕左髋关节转动（包括x方向与z方向）、绕左膝关节转动（包括x方向与z方向）
BigLegangleLeftx、BigLegangleLeftz、LitLegangleLeftx、LitLegangleLeftz
上述数据是在局部上影响机器人的动作，还有几个数据剩下的几个数据则在整体上影响机器人动作，影响情况如下表：
表三
影响范围
影响动作
有关联的数据（表一中数据）
整体
身体在垂直方向上翻滚动作
BodyXAngle
整体
转身动作
BodyYAngle
整体
侧身动作
BodyZYAngle
整体
身体中心在世界坐标系中的x坐标
BodyCenter[0]
整体
身体中心在世界坐标系中的y坐标
BodyCenter[1]
整体
身体中心在世界坐标系中的z坐标
BodyCenter[2]
整体
与下一个动作之间的时间间隔
Sec
根据上述三个表格，机器人的绘制过程基本上可以写成如下伪代码:
glPushMatrxi（）;
//此处为影响整体动作部分
平移机器人整体（BodyCenter[0],BodyCenter[1],BodyCenter[2]）;
绕x方向转动（BodyXAngle）;
绕y方向转动（BodyYAngle）;
绕z方向转动（BodyZAngle）;
//以下为绘制机器人人各部分，局部动作穿插其中
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绘制头
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绘制身体
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绘制肩关节
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绕右肩x方向转（BigArmangleRightx）
绕右肩z方向转（BigArmangleRightz）
绘制右上臂
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绕右肩x方向转（BigArmangleRightx）
绕右肩z方向转（BigArmangleRightz）
绘制右肘
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
弯腰（BowAngle）;
绕右肩x方向转（BigArmangleRightx）
绕右肩z方向转（BigArmangleRightz）
绕右肘x方向转（LitArmangleRightx）
绕右肘z方向转（LitArmangleRightz）
绘制右下臂
glPopMatrix（）;
………………
左臂的绘制与右臂类似
………………
腿部绘制类似，只需将肩关节变成髋关节、肘关节变成膝关节……
glPopMatrix（）;
这样，程序员只需通过控制表一中的24个变量即可实现动作的设计，从而达到快速、简便地管理动作。
下面具体举个实例来，记得黑客帝国里的一个非常经典的动作，崔妮蒂与警察打斗时腾空而起，双手张开与肩同高，一腿弯曲并前踢，这时画面定格并旋转360度。
这个动作后来被众多影视作品竞相模仿，下面我们也来模仿一下。
首先在草稿上绘制动作大概结构,然后根据结构计算出24个动作相关的数据，数据如下表：
表四
数据名称
数据变量名称
数据大小
右臂绕肩关节在x方向上的转角（度）
BigArmangleRightx
0
右臂绕肩关节在z方向上的转角（度）
BigArmangleRightz
70
左臂绕肩关节在x方向上的转角（度）
BigArmangleLeftx
0
左臂绕肩关节在z方向上的转角（度）
BigArmangleLeftz
70
右小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
LitArmangleRightx
0
右小臂绕肘关节在z方向上的转角（度）
LitArmangleRightz
0
左小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
LitArmangleLeftx
0
左小臂绕肘关节在x方向上的转角（度）
LitArmangleLeftz
0
右腿绕髋关节在x方向上的转角（度）
BigLegangleRightx
0
右腿绕髋关节在z方向上的转角（度）
BigLegangleRightz
0
左腿绕髋关节在x方向上的转角（度）
BigLegangleLeftx
90
左腿绕髋关节在z方向上的转角（度）
BigLegangleLeftz
0
右小腿绕膝关节在x方向上的转角（度）
LitLegangleRightx
0
右小腿绕膝关节在z方向上的转角（度）
LitLegangleRightz
0
左小腿绕膝关节在x方向上的转角（度）
LitLegangleLeftx
-90
左小腿绕膝关节在z方向上的转角（度）
LitLegangleLeftz
0
弯腰的角度（度）
BowAngle
0
身体绕x轴转角（度）
BodyXAngle
180
身体绕y轴转角（度）
BodyYAngle
0
身体绕z轴转角（度）
BodyZAngle
0
身体中心在世界坐标系下的x坐标
BodyCenter[0]
0
身体中心在世界坐标系下的y坐标
BodyCenter[1]
7.0
身体中心在世界坐标系下的z坐标
BodyCenter[2]
-10.0
此动作到下个动作的时间间隔（秒）
Sec
仅当动作连续播放时此值有意义
那么效果如何呢？
请看下图：
数据窗口情况如下图：
5、动画的实现
关键帧动画：
动画看起来之所以不同与一幅幅的静止画面是因为它能在较短的时间内连续的播放画面，在本程序中，画面的播放频率为每秒10次。
也就是说你要播放1秒钟的动画就需要给系统提供10组数据（数据的获得参见动作管理部分）。
如果所有的动作都是手动获得，那么一个20秒钟的动画将需要200组数据，这可不是一件轻松的活！
为了减少工作量，这里引入关键帧动画技术。
其原理如下：
在一段时间内设置若干个关键画面，当一个画面与下一画面之间某个时刻需要播放时，通过插值的方式计算出一组插值数据，播放这组插值数据所对应得画面即可。
关键帧数据的存放模式为链表方式，由于动画的长短不一，关键帧的数量也就无法确定，使用链表则可解决这一问题，每次播放时只需判断链表是否到达空指针就可确定动画是否应该停止播放，而制作关键帧时也只需不断地将新的帧数据添加到链表中去即可。
关键帧动画既保证了画面的流畅又使得程序员的工作量大大减低，是动画制作的必要部分。
用户自制动画：
通过程序员搭建的交互平台，用户可以自己设计动画。
这是本程序最大的特点，也是最难实现的一部分。
动画的制作最主要的工作是关键帧的制作，而关键帧制作实际上就是动作数据的获得，用户可先在草稿纸上粗略的绘制动作，然后通过订制动作窗口的互动功能细致地修改数据，从而制作满意的动作。
当某一个动作制作完毕只需点击此窗口的右键菜单中“添加动作”功能即可将关键帧保存到播放链表中，当用户完成所有关键帧的制作后，只需在主窗口的右键菜单中选择“自选动作播放”即可观看自己制作的动画了，主窗口还有一个“重播”功能让用户可以多次重复观看自制的动画。
当然用户也可使用这一功能重复观看程序员实现做好的示例动画。
【实验步骤】
获取机器人模型数据存于文件中（最为耗时）
建立多窗口界面
载入文件（模型文件、中文字库文件）
在界面下测试文字输出与图元输出
测试机器人动作相关函数
制作关键帧
测试示例动画
制作用户自制动画互动部分
测试用户自制动画功能
后期制作（文字、颜色、界面等作小的修改）
【实验结果】
本程序实结果：
1、实现了多窗口功能
2、实现了中英文混合输出功能
3、实现了机器人动作编辑功能
4、实现了关键帧动画
5、实现了用户自制动画功能
【难点与亮点】
多窗口界面：
亮点一：
多窗口界面可以使程序员从多个角度去展现自己的作品。
难点：
多个窗口需要显示不同的画面，对程序员来说，如何合理地复用代码、如何协调个窗口的信息，如何分配比重都将是不小的挑战。
亮点二：
中英文混合显示。
中英文混合显示使得界面变得更加友好，更加人性化，更加本土化。
难点：
需要了解的预备知识较多。
要了解字符串的输出，了解中文字库文件的结构，熟悉汉字点阵的输出，熟悉位图在
窗口中的输出等。
亮点三：
动作可编辑化。
通过控制一组数据来达到对动作的控制，而不必去关心程序中的细节。
难点：
观察机器人各部位绘制的规律，总结出共同的特点，利用共性编写函数以实现动作的数据化管理。
亮点四：
关键帧动画。
关键帧动画节省了程序员大量的时间，右保证了动画的流畅性，同时也有利于程序的维护与拓展。
难点：
需要程序员理解动画原理，掌握动画的编制过程。
亮点五：
用户自制动画功能的实现。
用户虽然不了解动画的原理，但是通过程序员搭建的平台可以自己制作动画，这是本程序最大的亮点，也是实用性最强的一点，用户可以在完全不熟悉编程的情况下充分的发挥想象力与创造力去制作动画，用户所需的只是艺术家的天赋。
难点：
程序员需要提供细致的互动功能以及友好方便的操作界面，并且，由于用户的行为是无法控制的，因此程序员必须处理好各种怪异操作带来的影响，也就是俗称的错误处理。
众所周知，错误处理对程序员来说永远都是一个极大的挑战。
【实验体会】
由于时间上以及技术上的原因，本程序有许多的不足和待完善之处，我总结了主要有以下几点：
机器人的手与脚的制作：
手应该说是身体上最灵活、动作最丰富的部位，如果能好好地将手的模型制作好，那将会使本程序上一个档次。
但是正因为手太过灵活，模型的自由度就非常的高，制作起来极难，也极费时间，因此时间与技术的双重难题使得我只能作罢，脚的制作要比手简单一些，但相对而言也是比较费时的，因此也未能实现。
面部表情的制作：
面部的制作花费了我大量的时间，基本上能做到一些典型的表情了，如哭笑等，但是面部的特写极少，并且面部在画面中占的份额很低，这就使得表情的制作显得得不偿失，因此我只是草草地使用了一个平常的表情，在整个程序中没有表情的变化，本来想再开辟一个子窗口专门用于面部特写，但是由于时间上的原因只好作罢。
用户模型自制：
由于每个人的审美观不同，有的用户可能不喜欢程序员制作的模型，如果能够让用户通过交互平台自己制作模型那么就可以做到模型动画自制一整套服务，让用户完全的体会个性化的享受。
当然这在技术上就有非常高的要求了，作者的能力还远未达到。
自制的动画的文件保存：
用户的动画制作功能是实现了，但是辛辛苦苦制作的得意之作在关闭程序后就会消失掉，这是一件令人痛心疾首的事。
因此，如果本程序需要再度拓展的话，第一个要解决的问题便是动画的保存问题，事实上这是比较容易解决的，只需将几个关键帧的数据组保存到文件中，然后编写相应的文件载入模块即可，由于时间有限只好先作罢了。
恢复功能：
一个好的交互系统总是会有比较好的恢复功能，因为用户在实现自己的创意时总免不了修修改改，恢复功能可以保证用户在一段时期内有反悔的机会。
纹理的加入：
纹理的加入将大大的加强画面的视觉效果，是三维程序不可缺少的一部份，由于时间的原因只好缺席了。
通过本程序的制作，我体会到了很多
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