计算机图形学实验报告2.docx
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计算机图形学实验报告2
计算机图形学实验报告
实验二、三维网格模型光顺
一、实验目的与基本要求:
(1)掌握Obj文件的读入;
(2)利用给定的数据结构类,建立读入网格模型数据结构;
(3)利用OpenGL类库,对三维模型进行绘制;
(4)利用OpenGL类库,增加采用鼠标交互方式对三维模型进行旋转、放缩、平移等操作;
(5)实现Laplacian方法的三维模型光顺操作,并观察三维模型光顺过程;
二、实验设备(环境)及要求
1.操作系统:
WindowsXP或Windows7
2.编程环境:
MicrosoftVisualStudio2010,OpenGL库函数
3.界面框架:
Win32,MFC,QT选择其中一种
三、实验内容与步骤
实验分为以下几个步骤:
(1)掌握Obj文件的读入顶点和面的个数;
(2)建立数组存储点的坐标及面上的点数;
(3)存储顶点的邻接面数,并记录每个顶点周围的邻接点
(4)计算每个面的法向
利用OpenGL类库,增加采用鼠标交互方式对三维模型进行旋转、放缩、平移等操作;
(5)利用面法向及顶点坐标进行绘制几何体
(6)实现鼠标对物体旋转、平移、缩放的算法
(7)实现Laplacian方法的三维模型光顺操作,并观察三维模型光顺过程;
4、实现过程说明及成果展示:
(1)掌握Obj文件的读入顶点和面的个数;
由于obj文件的存储形式是
vx1x2x3;
…
fv1v2v3;
…
这种形式,所以在记录点和面的数量时,只需按行读取,然后再判断首字母是v/f即可
实现代码如下:
(2)建立数组存储点的坐标及面上的点数;
数组的大小由点数和面数决定,点数组和面数组均由0开始记录,故后面再用面对应点的时候,由于面上点是从1开始记录,故需要减1然后使用,代码如下:
(3)存储顶点的邻接面数,并记录每个顶点周围的邻接点
记录点邻接面的是新建一个数组,在读面的时候,将该面的序号存入对应点的数组中,然后再在每个面上取一点,记录到点的邻接点数组中,在每个面上取得的点为向外右手方向的下一个点,实现代码如下:
(4)计算每个面的法向
计算面的法向方式为面上右手方向上的两向量的叉乘得到,即
所用代码为:
(8)利用面法向及顶点坐标进行绘制几何体
用法向绘制的方式是
先用glNormal3fv(v)指出面的法向;再用glVertex3f传入面上点的坐标;由于我将glNormal3fv(v)中写在算法向所以我直接对此直接调用即可,代码如下:
(9)实现鼠标对物体旋转、平移、缩放的算法
平移:
利用Transform函数和键盘事件来改变参数,w,s,a,d分别控制绘制的kitty猫的上下左右的移动:
实现代码如下:
旋转:
利用gllookat();函数设定了观察角度,并用鼠标事件改变参数,用实现观察视角的变化实现物体的旋转,代码如下:
缩放:
运用glScalef方法和键盘事件改变参数,实现物体的放大和缩小,代码如下:
(10)实现Laplacian方法的三维模型光顺操作,并观察三维模型光顺过程;
Laplacian方法的原理是利用目标点与其所有邻接点平均后的点的差向量,对目标点的坐标进行变换的过程,具体方法是:
①建立每个点的邻接顶点数组,存储每个点的邻接点
②对每个顶点的邻接点进行求平均,即将邻接点的坐标求和后除以邻接点个数,从而得到邻接平均点
③得到优化向量
优化向量=邻接平均点-目标点
④设定优化度参数λ,得到优化后的新坐标
新坐标=目标点+λ*优化向量
在程序中,对于第num个顶点,我设定的变量为
目标点vArr
邻接平均点v0
优化向量l
新坐标数组vNewArr
具体代码如下:
5、结果展示及说明
计算面法向后直接绘制(未光顺):
光顺进行一次后
光顺多次后
利用点绘制结果为
旋转后
缩放后
平移后
6、心得体会
(1)计算面法向时法向量的方向没有运用右手方向,导致有的面法向向里,从而出现雪花
(2)在运用Laplacian算法进行求邻接平均点时未初始化邻接平均点数组,导致平均点的累加
从而出现越光顺越粗糙的现象
(3)在obj文件中面对应顶点数和顶点数组的标号相差1.在运用的时候需减1,面从1开始记顶点,顶点数组从0开始记顶点
7、实验代码
#defineGLUT_DISABLE_ATEXIT_HACK
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
intv_num=0;//记录点的数量
intf_num=0;//记录面的数量
intvn_num=0;//记录法向量的数量
intvt_num=0;
GLfloat**vArr;//存放点的二维数组
GLfloat**vNewArr;//存放点的二维数组
int**fvArr;//存放面顶点的二维数组
GLfloat**fnArr;//存放面法向量的二维数组
int**ftArr;
int**vfArr;//存放顶点临接的面数的数组
int**nextVArr;//存放下一个临界顶点的数组
GLfloat**vnArr;//存放点法向量的二维数组
strings1,s2,s3,s4;
GLfloatf2,f3,f4;
intnum1,num2,num3;
typedefGLfloatpoint3[3];
point3x,y,l;//平面上的两个向量x,y和拉普拉斯向量l
staticGLfloattheta[]={0.0,0.0,0.0};
staticGLintaxis=2;
staticGLdoubleviewer[]={0.0,0.0,5.0};/*initialviewerlocation*/
staticGLdoubleTran[]={0.0,0.0,0.0};
staticGLdoublesca=1.0;
voidgetLineNum(stringaddrstr)//获取点和面的数量
{
ifstreaminfile(addrstr.c_str());//打开指定文件
if(!
infile){
cout<<"openerror!
"<exit
(1);
}
stringsline;//每一行
inti=0,j=0;
while(getline(infile,sline))//从指定文件逐行读取
{
if(sline[0]=='v')
{
v_num++;
}
if(sline[0]=='f')
{
f_num++;
}
}
}
intreadfile(stringaddrstr)//将文件内容读到数组中去
{
//getLineNum(addrstr);
//new二维数组
vArr=newGLfloat*[v_num];
for(inti=0;i{
vArr[i]=newGLfloat[3];
}
vNewArr=newGLfloat*[v_num];
for(inti=0;i{
vNewArr[i]=newGLfloat[3];
}
vnArr=newGLfloat*[vn_num];
for(inti=0;i{
vnArr[i]=newGLfloat[3];
}
vfArr=newint*[v_num];
for(inti=0;i{
vfArr[i]=newint[10];
for(intj=0;j<10;j++){
vfArr[i][j]=-1;
}
}
nextVArr=newint*[v_num];
for(inti=0;i{
nextVArr[i]=newint[10];
for(intj=0;j<10;j++){
nextVArr[i][j]=-1;
}
}
fvArr=newint*[f_num];
fnArr=newGLfloat*[f_num];
ftArr=newint*[f_num];
for(inti=0;i{
fvArr[i]=newint[3];
fnArr[i]=newGLfloat[3];
ftArr[i]=newint[10];
}
ifstreaminfile(addrstr.c_str());
if(!
infile){
cout<<"openerror!
"<exit
(1);
}
stringsline;//每一行
intii=0,jj=0,kk=0,mm=0;
while(getline(infile,sline))
{
if(sline[0]=='v')//存储点
{
istringstreamsin(sline);
sin>>s1>>f2>>f3>>f4;
vArr[ii][0]=f2;
vArr[ii][1]=f3;
vArr[ii][2]=f4;
ii++;
}
if(sline[0]=='f')//存储面
{
istringstreamin(sline);
GLfloata;
in>>s1>>num1>>num2>>num3;//去掉f
fvArr[kk][0]=num1;
fvArr[kk][1]=num2;
fvArr[kk][2]=num3;
for(inti=0;i<10;i++){
if(vfArr[num1-1][i]==-1){
vfArr[num1-1][i]=kk;
nextVArr[num1-1][i]=num2;
break;
}
}
for(intj=0;j<10;j++){
if(vfArr[num2-1][j]==-1){
vfArr[num2-1][j]=kk;
nextVArr[num2-1][j]=num3;
break;
}
}
for(inti=0;i<10;i++){
if(vfArr[num3-1][i]==-1){
vfArr[num3-1][i]=kk;
nextVArr[num3-1][i]=num1;
break;
}
}
kk++;
}
}
return0;
}
//计算面法向
voidnomal(point3p){
/*矢量的归一化*/
//doublesqrt();
floatd=0.0;
inti;
for(i=0;i<3;i++)
d+=p[i]*p[i];
d=sqrt(d);
if(d>0.0)
for(i=0;i<3;i++)
p[i]/=d;
}
voidgetFaceNormal(point3A,point3B,point3C){
x[0]=C[0]-A[0];
x[1]=C[1]-A[1];
x[2]=C[2]-A[2];
y[0]=A[0]-B[0];
y[1]=A[1]-B[1];
y[2]=A[2]-B[2];
point3v;
v[0]=x[1]*y[2]-x[2]*y[1];
v[1]=x[2]*y[0]-x[0]*y[2];
v[2]=x[0]*y[1]-x[1]*y[0];
nomal(v);
glNormal3fv(v);
}
voidLaplacian(){
for(intnum=0;numintm=0;
//求得点的邻接面数
for(inti=0;i<10;i++){
if(nextVArr[num][i]!
=-1){
m++;
}
else{
break;
}
}
point3v0;
for(inti=0;i<3;i++){
v0[i]=0;
}
for(inti=0;iv0[0]+=vArr[nextVArr[num][i]-1][0];
v0[1]+=vArr[nextVArr[num][i]-1][1];
v0[2]+=vArr[nextVArr[num][i]-1][2];
}
if(m!
=0){
for(inti=0;i<3;i++)
v0[i]/=m;
}
l[0]=v0[0]-vArr[num][0];
l[1]=v0[1]-vArr[num][1];
l[2]=v0[2]-vArr[num][2];
vNewArr[num][0]=vArr[num][0]+l[0]*0.3;
vNewArr[num][1]=vArr[num][1]+l[1]*0.3;
vNewArr[num][2]=vArr[num][2]+l[2]*0.3;
}
for(inti=0;ivArr[i][0]=vNewArr[i][0];
vArr[i][1]=vNewArr[i][1];
vArr[i][2]=vNewArr[i][2];
}
}
voidinit(void)
{
getLineNum("H:
\\kitten_noisy.obj");
readfile("H:
\\kitten_noisy.obj");
doubleviewer[]={0.0,0.0,8.0};/*initialviewerlocation*/
GLfloatmat_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
GLfloatmat_shininess[]={50.0};//材料的镜面指数,其值越大越精细
GLfloatlight_position[]={1.0,1.0f,1.0,0.0};
GLfloatwhite_light[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
GLfloatlmodel_ambient[]={0.1,0.1,0.1,1.0};
glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0);
glShadeModel(GL_SMOOTH);
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular);
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHININESS,mat_shininess);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);//光源位置
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,white_light);//漫反射光源
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,white_light);//镜面反射光源
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambient);//环境光源
//glEnable(glMaterialf);
glEnable(GL_LIGHTING);//启动光照
glEnable(GL_LIGHT0);//启用0度光源
glEnable(GL_DEPTH_TEST);//启动深度测试
/*
glShadeModel(GL_SMOOTH);//EnableSmoothShading
glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,0.5f);//黑色背景
glClearDepth(1.0f);//深度缓冲区设置
glEnable(GL_DEPTH_TEST);//允许深度测试
glDepthFunc(GL_LEQUAL);//定义深度测试类型
glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT,GL_NICEST);//ReallyNicePerspectiveCalculation
*/
}
voiddisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glLoadIdentity();
gluLookAt(viewer[0],viewer[1],viewer[2],0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0);//设置观察的位置
glRotatef(theta[0],1.0,0.0,0.0);
glRotatef(theta[1],0.0,1.0,0.0);
//glRotatef(theta[2],0.0,0.0,1.0);
glTranslatef(Tran[0],Tran[1],Tran[2]);
glScalef(sca,sca,sca);
//glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK,GLU_FILL);
glBegin(GL_TRIANGLES);
//getFaceNormals();
for(inti=0;i{
getFaceNormal(vArr[fvArr[i][0]-1],vArr[fvArr[i][1]-1],vArr[fvArr[i][2]-1]);
glVertex3f(vArr[fvArr[i][0]-1][0],vArr[fvArr[i][0]-1][1],vArr[fvArr[i][0]-1][2]);
glVertex3f(vArr[fvArr[i][1]-1][0],vArr[fvArr[i][1]-1][1],vArr[fvArr[i][1]-1][2]);
glVertex3f(vArr[fvArr[i][2]-1][0],vArr[fvArr[i][2]-1][1],vArr[fvArr[i][2]-1][2]);
}
glEnd();
/*
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK,GL_LINE);
glBegin(GL_POINTS);
glColor3f(1.0,1.0,1.0);
for(inti=0;iglVertex3fv(vArr[i]);
glNormal3fv(fnArr[i]);
}
glEnd();
*/
glFlush();//强制绘图
glutSwapBuffers();
}
voidreshape(intw,inth)
{
glViewport(0,0,(GLsizei)w,(GLsizei)h);//视口设置
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
if(w<=h)//描绘了两种不同情况下的平行修剪空间
glOrtho(-0.6,0.6,-0.6*(GLfloat)h/(GLfloat)w,0.6*(GLfloat)h/(GLfloat)w,-10.0,10.0);
else
glOrtho(-0.6*(GLfloat)w/(GLfloat)h,0.6*(GLfloat)w/(GLfloat)h,-0.6,0.6,-10.0,10.0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}
#defineGLUT_WHEEL_UP3//定义滚轮操作
#defineGLUT_WHEEL_DOWN4
voidmouse(intbtn,intstate,intx,inty)
{
if(btn==GLUT_LEFT_BUTTON&&state==GLUT_DOWN){
Laplacian();
}
if(btn==GLUT_MIDDLE_BUTTON&&state==GLUT_DOWN)axis=0;
if(btn==GLUT_RIGHT_BUTTON&&state==GLUT_DOWN)axis=1;
theta[axis]+=2.0;
if(theta[axis]>360.0)theta[axis]-=360.0;
display();
}
voidkeys(unsignedcharkey,intx,inty){
if(key=='a')
Tran[0]-=0.2;
i