计算机图形学实验报告.docx
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计算机图形学实验报告
深圳大学实验报告
实验课程名称：
计算机图形学
实验项目名称：
图形学算法演示系统
学院：
专业：
报告人：
学号：
班级：
同组人：
指导教师：
实验时间：
实验报告提交时间：
教务处制
实验内容：
设计开发一个具有图形界面、交互性较好的图形学算法演示系统，并进行答辩演示。
具体要求如下：
系统应包含如下内容：
●基本图元绘制算法：
DDA绘直线、Bresenham绘直线、Bresenham绘圆
●多边形扫描转换算法和区域填充算法实现（扫描线算法为必做，基于求余运算的边缘填充和边标志算法为任选；基于种子的区域填充采用4连通区域的递归种子填充算法，或扫描线种子填充算法，要求种子点（x,y）可交互输入）。
●线段裁剪和多边形裁剪算法的动画演示实现。
（两种线段裁剪算法和H-S多边形逐边裁剪算法）多边形裁剪算法的动画演示要求先画出一个封闭的多边形，再画矩形的裁剪窗口，然后选择裁剪按钮（或命令），按下“上边裁剪”按钮（或执行“上边裁剪”命令），多边形相对裁剪窗口的上边进行裁剪，显示上边裁剪后的多边形，依此进行其它各边裁剪。
●用动画实现二维图形变换的各种算法，实现对指定形体的平移、旋转和缩放。
（包括类似自行车行走和绕固定点旋转的自旋转物体动画。
）
●简单三维图形系统：
凸多面体的建模、透视投影，隐藏面的消除及基本图形变换（平移、旋转、缩放）
●交互式Bezier曲线的输入绘制程序实现
⏹实用算法动态图形演示：
任意选择程序设计、数据结构和算法设计中的经典问题，如冒泡排序、汉诺塔、八皇后、背包问题、动态规划等等，动画策略自定
⏹光照效应：
三维图形的面着色；
⏹分形几何：
Koch雪花，L系统植物及其他有特色的图形学相关效果等。
实验说明：
方法、步骤
编程语言:
C++
IDE版本:
MicrosoftVisualC++6.0
实验方法：
使用MFC进行编程，参照实验指导书，一步一步操作，就可以基本完成整个实验的操作了。
1、建立程序框架：
创建MFC单文档应用程序
2、添加绘图菜单项
通过更改各个菜单选项属性，设置好ID号，并标明，如图所示
3、在创建的View中添加个消息函数
添加对应消息WM_CREAT的消息函数OnCreate（）函数
添加对应鼠标消息的WM_LBUTTONDOWN的消息函数OnLButtonDown（）；
添加对应鼠标消息的WM_MOUSEMOVE的消息函数OnMouseMove（）；
添加对应鼠标消息的WM_RBUTTONDOWN的消息函数OnRButtonDown（）；
添加对应鼠标消息的WM_MOUSEWHEEL的消息函数OnMouseWheel（）；
4、声明变量和函数
5、添加各菜单项的消息映射函数
主要添加的响应有，鼠标右键、鼠标右键、鼠标滑轮、鼠标移动、键盘按键响应。
每个工程的建立大同小异，下面将不对工程的建立和设置进行描述和说明。
主要讨论程序的算法和实现。
具体的设置参见程序。
基本图元
一、实验内容
本实验程序实现的主要函数及其说明
关于绘制图形的算法的函数：
voidDDALine（CPointstart,CPointend,longcolor）;//用DDA算法绘制直线
voidMiddleLine（CPointstart,CPointend,longcolor）;//用中点算法绘制直线
voidBresenhamLine（CPointstart,CPointend,longcolor）;//用Bresenham算法绘制直线
voidRectangle（CPointstart,CPointend,longcolor）;//绘制多边形
voidBresenhamCircle（CPointcenter,CPointt,longcolor）;//用Bresenham算法绘制圆
voidMiddleCircle（CPointcenter,CPointt,longcolor）;//用中点算法绘制圆
voidMiddleEllipse（CPointstart,CPointend,longcolor）;//用中点算法绘制椭圆
二、程序设计说明及源代码:
1、绘制直线的算法
1）、DDA算法
解：
这个算法代码是直接抄写实验书上面的呀，算法比较明显，通过计算x方向和y方向的增量依次画出各个点，而这个代码也写得比较精炼step的应用大大减少代码量。
代码如下：
voidCExercise1View:
:
DDALine（CPointstart,CPointend,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
dc.SetPixel（start.x,start.y,color）;
dc.SetPixel（end.x,end.y,color）;
//dx和dy分别是x方向和y方向的增量
intdx=end.x-start.x,dy=end.y-start.y,steps,k;
floatxIncrement,yIncrement,x=start.x,y=start.y;
//选择增量大的方向作为每次前进的方向
if（fabs（dx）>fabs（dy））steps=fabs（dx）;
elsesteps=fabs（dy）;
//计算每个方向的前进增量
xIncrement=float（dx）/float（steps）;
yIncrement=float（dy）/float（steps）;
dc.SetPixel（（int）（x+0.5）,（int）（y+0.5）,color）;
for（k=0;k{
x+=xIncrement;
y+=yIncrement;
dc.SetPixel（（int）（x+0.5）,（int）（y+0.5）,color）;
}
}
2）、中点算法
解：
通过计算中点在直线的上方还是下方来决定选择点直线方程
当斜率在
时，
，这时考虑右上方和右下方的点：
时，取右下方的点，此时判别式为：
时，取右下方的点，此时判别式为：
当斜率在
时，
，这时考虑上左方和上右方的点：
时，取上左方的点，此时判别式为：
时，取上右方的点，此时判别式为：
斜率在
和
的情况类似上面的推导，这里就不进行推导。
代码考虑了斜率的所有情况。
代码如下：
voidCExercise1View:
:
MiddleLine（CPointstart,CPointend,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
CPointTempPoint;
if（start.x>end.x）{TempPoint=start;start=end;end=TempPoint;}
dc.SetPixel（start.x,start.y,color）;
dc.SetPixel（end.x,end.y,color）;
inta,b,d1,d2,d,x,y,flag=0,temp;
if（fabs（start.x-end.x）>fabs（start.y-end.y））flag=1;
x=start.x;y=start.y;
dc.SetPixel（x,y,color）;
a=start.y-end.y;
b=end.x-start.x;
if（start.y>end.y）b=-b;
if（flag==0）{temp=a;a=b;b=temp;}
d=2*a+b;
d1=2*a;d2=2*（a+b）;
if（start.y<=end.y）
{
if（flag==1）{
while（x{
if（d<0）{x++;y++;d+=d2;}
else{x++;d+=d1;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}else{
while（y{
if（d>0）{y++;x++;d+=d2;}
else{y++;d+=d1;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}
}
else
{
if（flag==1）{
while（x{
if（d>0）{x++;y--;d+=d2;}
else{x++;d+=d1;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}else{
while（y>end.y）{
if（d<0）{y--;x++;d+=d2;}
else{y--;d+=d1;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}
}
}
3）、Bresenham算法
解：
这个算法参照实验指导书只考虑斜率在
的情况，进行扩展，其实很简单，只要将x和y的位置交换下就可以了，再根据x和y的前进方向进行设置就可以了，程序很容易写完。
代码如下：
voidCExercise1View:
:
BresenhamLine（CPointstart,CPointend,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
CPointTempPoint;
if（start.x>end.x）{TempPoint=start;start=end;end=TempPoint;}
dc.SetPixel（start.x,start.y,color）;
dc.SetPixel（end.x,end.y,color）;
intdx=fabs（end.x-start.x）,dy=fabs（end.y-start.y）;
intd,twoDy,twoDyMinusDx;
intx,y,t=1,count;
if（start.y>end.y）t=-1;
x=start.x;y=start.y;
dc.SetPixel（x,y,color）;
if（dx>=dy）
{
d=2*dy-dx;
twoDy=2*dy,twoDyMinusDx=2*（dy-dx）;
while（x{
x++;
if（d<0）d+=twoDy;
else{y+=t;d+=twoDyMinusDx;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}
else
{
d=2*dx-dy;
twoDy=2*dx,twoDyMinusDx=2*（dx-dy）;
count=0;
while（count{
count++;
y+=t;
if（d<0）d+=twoDy;
else{x++;d+=twoDyMinusDx;}
dc.SetPixel（x,y,color）;
}
}
}
2、多边形绘制
1）、三角形
三角形画法很简单只是用鼠标点三个点，然后将三个点连线就可以了。
这个难点在于交与方面和实现橡皮筋功能方面。
2）、矩形
矩形的画法也比教简单，只是选择两个点（XA,YA）,（XB,XY），然后组合后画出对应的4条线段就可以了。
3）、多边形
通过鼠标点击的点依次画出各个点间的连线就可以了，最后结束的时候只要点击鼠标右键就可以了。
3、圆的绘制算法
1）、中点算法
解：
这个算法的原理和直线的中点算法原理一样，代码完全参照课本给的程序，修改下就可以使用了，也结合了实验指导书的例程。
voidCExercise1View:
:
MiddleCircle（CPointcenter,CPointt,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
CPointtemp;
floatradius=sqrt（（center.x-t.x）*（center.x-t.x）+（center.y-t.y）*（center.y-t.y））;
intp=1-（int）radius;
temp.x=（int）radius;
temp.y=0;
circlePlotPoint（center,temp,color）;
while（temp.y{
temp.y++;
if（p<0）p+=2*temp.y+3;
else{temp.x--;p+=2*（temp.y-temp.x）+5;}
circlePlotPoint（center,temp,color）;
}
}
2）、Bresenham算法
解：
也是参照书上的例程，修改下，对这个算法的理解还不是很深刻。
voidCExercise1View:
:
BresenhamCircle（CPointcenter,CPointt,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
CPointtemp;
intR=（int）sqrt（（center.x-t.x）*（center.x-t.x）+（center.y-t.y）*（center.y-t.y））;
intd=3-2*R;
temp.x=0;
temp.y=R;
circlePlotPoint（center,temp,color）;
while（temp.x{
circlePlotPoint（center,temp,color）;
if（d<0）d=d+4*temp.x+6;
else{d=d+4*（temp.x-temp.y）+10;temp.y--;}
temp.x++;
}
if（temp.x==temp.y）circlePlotPoint（center,temp,color）;
}
4、椭圆绘制算法
解：
首先将椭圆分成两个区域，以切线斜率为-1作为分界。
由
及
算出分界点
，
初值为
，从（0，b）开始画到（x，y）到（a，0）
切线斜率
，
当
，
，当
，
切线斜率
，
当
，
，当
，
代码如下:
voidCExercise1View:
:
MiddleEllipse（CPointstart,CPointend,longcolor）
{
CClientDCdc（this）;
CPointt,k;
CPointtemp;
temp=start;
inta=fabs（start.x-end.x）,b=fabs（start.y-end.y）;
if（a==0||b==0）return;
intaa=a*a,bb=b*b;
k.x=（int）（（float）aa/sqrt（（float）（aa+bb））+0.5）;
k.y=（int）（（float）aa/sqrt（（float）（aa+bb））+0.5）;
t.x=0;
t.y=b;
intd=4*（bb-aa*b）+aa;
ellipsePlotPoint（temp,t,color）;
while（t.x<=k.x）
{
if（d<0）d+=4*bb*（2*t.x+3）;
else{d+=4*（bb*（2*t.x+3）+2*aa*（1-t.y））;t.y--;}
t.x++;
ellipsePlotPoint（temp,t,color）;
}
while（t.y>0）
{
if（d>=0）d+=4*aa*（3-2*t.y）;
else{d+=4*（（2*bb*（t.x+1））+aa*（3-2*t.y））;t.x++;}
t.y--;
ellipsePlotPoint（temp,t,color）;
}
}
区域填充
一、实验内容
本实验程序实现的主要函数及其说明
关于绘制图形的算法的函数：
voidLineFill（）;//用扫描线算法填充多边形
voidSideNotFill（）;//用边取反算法填充多边形
voidSeedFill（CPointtemp）;//用种子填充算法填充区域
voidLineSeedFill（CPointseed）;//用扫描线种子填充算法填充区域
二、程序设计说明及源代码:
1、多边形填充算法
1）、扫描线填充算法
用到的数据结构：
桶ET和边的活性边表AEL
算法的描述如下：
for（y=ymin;i<=ymax;y++）
{
合并当前扫描线y的ET表；
将y桶中的每个记录按x项升序排列；
在当前y值下，将两两记录的x值之间的像素进行填充；
修改边记录x=x+1/m；（m为直线斜率的倒数）
}
这个算法主要的函数有
buildEdgelist（cnt,pts,edges）;//建立边表
buildActivelist（scan,active,edges）;//建立活性边
fillscan（scan,active）;//填充
updateActivelist（scan,active）;//更新
resortActivelist（active）;//重排序
2）、边取反填充算法
对图像M作偶数次取反运算后还是M，而对图像作奇数次取反后的结果是~M，可以利用这个原理对多边形的每一条边向右填充逐位取反操作。
算法比较简单，但是要注意一点就是顶点的处理，顶点分为内点和外点。
对于每一个顶点，如果他相邻的两个顶点在它的同一侧，则这个点为外点，否则称为内点。
对于内点只需要向右填充一次，外点不需要向右进行填充。
为了增加向右填充的效率，在实验中先找出最右边的点，只需要填充到最右的这个点就可以了。
程序的代码如下：
voidCLabView:
:
SideNotFill（）
{
CLabDoc*pdoc=GetDocument（）;
longi,n=pdoc->NodeCount;
memset（pdoc->PolygonNodeJudge,0,100*sizeof（pdoc->PolygonNodeJudge[0]））;
moreLeft=pdoc->PolygonNode[0].x;
//判断第0个点是内点还是外点
if（（pdoc->PolygonNode[n-1].y>pdoc->PolygonNode[0].y&&
pdoc->PolygonNode[1].yPolygonNode[0].y）||
（pdoc->PolygonNode[n-1].yPolygonNode[0].y&&
pdoc->PolygonNode[1].y>pdoc->PolygonNode[0].y））{
pdoc->PolygonNodeJudge[0]=1;
}
//判断最后一个点是内点还是外点
if（（pdoc->PolygonNode[0].y>pdoc->PolygonNode[n-1].y&&
pdoc->PolygonNode[n-2].yPolygonNode[n-1].y）||
（pdoc->PolygonNode[0].yPolygonNode[n-1].y&&
pdoc->PolygonNode[n-2].y>pdoc->PolygonNode[n-1].y））{
pdoc->PolygonNodeJudge[n-1]=1;
}
//对其他点进行判断是内点还是外点
for（i=1;iif（（pdoc->PolygonNode[i-1].y>pdoc->PolygonNode[i].y&&
pdoc->PolygonNode[i+1].yPolygonNode[i].y）||
（pdoc->PolygonNode[i-1].yPolygonNode[i].y&&
pdoc->PolygonNode[i+1].y>pdoc->PolygonNode[i].y））{
pdoc->PolygonNodeJudge[i]=1;
}
}
//找出多边形中“最右”的那个点的y值
for（i=1;iNodeCount;i++）
if（pdoc->PolygonNode[i].x>moreLeft）moreLeft=pdoc->PolygonNode[i].x;
moreLeft=moreLeft+10>m_rect.right?
m_rect.right:
moreLeft+10;
if（pdoc->PolygonNode[0].y!
=pdoc->PolygonNode[pdoc->NodeCount-1].y）
LineDDA2（pdoc->PolygonNodeJudge[0],pdoc->PolygonNode[0],pdoc->PolygonNode[pdoc->NodeCount-1],pdoc->PenColor）;
for（i=1;iNodeCount;i++）{
if（pdoc->PolygonNode[i].y!
=pdoc->PolygonNode[i-1].y）
LineDDA2（pdoc->PolygonNodeJudge[i],pdoc->PolygonNode[i],pdoc->PolygonNode[i-1],pdoc->PenColor）;
}
}
2、区域填充算法
1）、扫描线种子填充算法
扫描线种子填充算法的基本思想是：
从给定的种子开始，填充当前扫描线上种子点所在的区间，然后确定与这一区间相邻的上下两条扫描线上需要填充的区间，从这些区间上各取一个点并依次保存下来，作为下次填充的种子点，反复进行，到填充完这个区间为止。
这个算法是参考课本的扫描线种子填充算法，经过补充和修改而成的。
核心代码如下：
voidCLabView:
:
LineSeedFill（CPointseed）
{
CClientDCdc（this）;
CLabDoc*pdoc=GetDocument（）;
CPointstack[1024],t;
longslen=0,savex,xright,xleft,flag;
unsignedlongcolor=dc.GetPixel（seed）;
//如果填充的区域的颜色与要填充的颜色一样，则要退出
if（color==pdoc->FillColor）return;
stack[slen++]=seed;//将种子放进栈中
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