计算机图形学期末实验报告.docx
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计算机图形学期末实验报告
附件1：
封面格式
得分：
计算机图形学期末考试答卷
姓名：
学号：
一、目标及任务
目标：
1、熟悉OpenGL编程
2、学会平面网格的绘制
3、掌握Opengl的光照和动画实现
任务一：
1、绘制如上图的一个绿色平面网格。
网格x的世界坐标取值范围为[-16,16]，
y的世界坐标取值范围为[-16,16]。
z取值始终为0。
2、该题所绘制的平面网格，用于
模拟地面，需将其整合到后面提高题中的场景中。
任务二：
1.构造三个球体对象，要求启用光照，对象的色彩可以自行发挥想象。
2.三个球体对象，最大的球体A，中间大球体B，最小的球体C。
球体A静止不动，
球体B绕球体A旋转，球体C绕球体B旋转，同时也绕球体A旋转（球体C有点类似月球，
它绕地球旋转，同时也绕太阳旋转）。
二、开发环境
操作系统版本：
win7
集成开发环境：
visuaC++6.0
三、总的技术思路、技术流程框架图及源代码
任务一：
主要用到的函数：
1、voidgluLookAt（GLdoubleeyex,GLdoubleeyey,GLdoubleeyez,GLdoublecenterx,GLdoublecentery,GLdoublecenterz,GLdoubleupx,GLdoubleupy,GLdoubleupz）;
该函数定义一个视图矩阵，并与当前矩阵相乘。
第一组eyex,eyey,eyez相机在世界坐标的位置
第二组centerx,centery,centerz相机镜头对准的物体在世界坐标的位置
第三组upx,upy,upz相机向上的方向在世界坐标中的方向
2、voidglLineStipple（GLintfactor,GLushortpattern）;
参数pattern：
是由1或0组成的16位序列，从这个模式的低位开始，一个一个像素地进行处理，如果模型中对应的位是1，就绘制这个像素，否则不绘制。
factor：
为重复因子，它与1和0的连续子序列相乘，如果模式中出现3个1，并且factor是2，那么他们就扩展为6个连续的1.
3、glOrtho就是一个正射投影函数。
它创建一个平行视景体。
实际上这个函数的操作是创建一个正射投影矩阵，并且用这个矩阵乘以当前矩阵。
其中近裁剪平面是一个矩形，矩形左下角点三维空间坐标是（left，bottom，-near），右上角点是（right，top，-near）；远裁剪平面也是一个矩形，左下角点空间坐标是（left，bottom，-far），右上角点是（right，top，-far）。
所有的near和far值同时为正或同时为负。
如果没有其他变换，正射投影的方向平行于Z轴，且视点朝向Z负轴。
这意味着物体在视点前面时far和near都为负值，物体在视点后面时far和near都为正值。
主要用到的技术：
1、正射投影
正射投影，又叫平行投影。
这种投影的视景体是一个矩形的平行管道，也就是一个长方体，如图所示。
正射投影的最大一个特点是无论物体距离相机多远，投影后的物体大小尺寸不变。
这种投影通常用在建筑蓝图绘制和计算机辅助设计等方面，这些行业要求投影后的物体尺寸及相互间的角度不变，以便施工或制造时物体比例大小正确。
2、模型视图变换
由于模型和视图的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。
在代码中，视图变换必须出现在模型变换之前，但可以在绘图之前的任何时候执行投影变换和视口变换。
display（）程序中绘图函数潜在的重复性强调了：
在指定的视图变换之前，应该使glLoadIdentity（）函数把当前矩阵设置为单位矩阵。
在载入单位矩阵之后，使用gluLookAt（）函数指定视图变换。
如果程序没有调用gluLookAt（），那么照相机会设定为一个默认的位置和方向。
在默认的情况下，照相机位于原点，指向Z轴负方向，朝上向量为（0,1,0）。
一般而言，display（）函数包括：
视图变换+模型变换+绘制图形的函数（如glutWireCube（））。
display（）会在窗口被移动或者原来先遮住这个窗口的东西被一开时，被重复调用，并经过适当变换，保证绘制的图形是按照希望的方式进行绘制。
在调用glFrustum（）设置投影变换之前，在reshape（）函数中有一些准备工作：
视口变换+投影变换+模型视图变换。
由于投影变换，视口变换共同决定了场景是如何映射到计算机的屏幕上的，而且它们都与屏幕的宽度，高度密切相关，因此应该放在reshape（）中。
reshape（）会在窗口初次创建，移动或改变时被调用。
OpenGL中矩阵坐标之间的关系：
物理坐标*模型视图矩阵*投影矩阵*透视除法*规范化设备坐标——〉窗口坐标
源代码：
#include
voidmyDisplay（）{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;//刷新背景
glMatrixMode（GL_MODELVIEW）;//对模型视景矩阵操作
glLoadIdentity（）;//加载单位矩阵
gluLookAt（1.0,1.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,5.0）;//定义视图矩阵设置照相机位置
for（inti=-16;i<16;i++）{
for（intj=-16;j<16;j++）
{
glBegin（GL_LINE_LOOP）;//绘制线段
glVertex3f（i,j,0）;
glVertex3f（i,j+1,0）;
glVertex3f（i+1,j+1,0）;
glVertex3f（i+1,j,0）;
glEnd（）;
}
}
glFlush（）;
}
voidinit（）{
glColor3f（1.0,0.0,1.0）;//网格颜色
glLineStipple（3,0xcccc）;//定义点画模式
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;//投影矩阵
glLoadIdentity（）;//加载单位矩阵
glOrtho（-24,24,-24,24,-24,24）;//设置修改空间范围
}
voidmain（intargc,char**argv）{
glutInit（&argc,argv）;
glutInitWindowPosition（0,0）;//初始位置
glutInitWindowSize（800,800）;
glutCreateWindow（"lines"）;
glutDisplayFunc（myDisplay）;
glEnable（GL_LINE_STIPPLE）;//启用直线点画功能
init（）;
glutMainLoop（）;//循环绘图
}
运行效果图：
任务二：
主要技术：
1、动画的实现：
动画的实现是通过不断修改旋转变换的角度来实现的。
并且利用双缓冲技术，在存储器（很有可能是显存）中开辟两块区域，一块作为发送到显示器的数据，一块作为绘画的区域，在适当的时候交换它们，只要在绘制完成时简单的调用glutSwapBuffers函数把绘制好的信息用于屏幕显示就可以了。
在每次调用显示回调函数之前改变角度参数的值，使天体看起来像在旋转。
其中，angle1为地球绕太阳旋转的角度，angle2为月亮绕地球旋转的角度，月亮绕地球旋转速度是地球绕太阳旋转速度的12倍，设置angle1每次增加20.0f度，angle2每次增加2.0f度。
2、深度测试：
深度测试决定了是否绘制较远的象素点（或较近的象素点），通常选用较近的，而较远优先能实现透视的效果。
深度测试只需要调用函数：
glEnable（GL_DEPTH_TEST）;就可以打开深度测试功能。
另外，在创建窗口时指定其具有深度缓冲区，深度缓存的位数是衡量深度缓存精度的参数。
深度缓存位数越高，则精确度越高，在每次渲染场景时，消除深度缓冲区即可。
3、光照：
简单的光照效果的，我们通过光照的层次，很容易的认为它是一个三维的物体
眼睛之所以看见各种物体，是因为光线直接或间接的从它们那里到达了眼睛。
人类对于光线强弱的变化的反应，比对于颜色变化的反应来得灵敏。
因此对于人类而言，光线很大程度上表现了物体的立体感。
OpenGL在处理光照时采用这样一种近似：
把光照系统分为三部分，分别是光源、材质和光照环境。
光源就是光的来源，可以是前面所说的太阳或者电灯等。
材质是指接受光照的各种物体的表面，由于物体如何反射光线只由物体表面决定（OpenGL中没有考虑光的折射），材质特点就决定了物体反射光线的特点。
光照环境是指一些额外的参数，它们将影响最终的光照画面，比如一些光线经过多次反射后，已经无法分清它究竟是由哪个光源发出，这时，指定一个“环境亮度”参数，可以使最后形成的画面更接近于真实情况。
对于光源发出的光线，可以分别设置其经过镜面反射和漫反射后的光线强度。
对于被光线照射的材质，也可以分别设置光线经过镜面反射和漫反射后的光线强度。
这些因素综合起来，就形成了最终的光照效果。
根据光的反射定律，由光的入射方向和入射点的法线就可以得到光的出射方向。
因此，对于指定的物体，在指定了光源后，即可计算出光的反射方向，进而计算出光照效果的画面。
本作业中使用了2个光源，一个在太阳中心light0，照亮地球和月亮；另一个光源light1只照亮太阳，在画太阳之前打开，画完之后使用函数glDisable（GL_LIGHT1）;关闭light1。
4、表面材质：
材质与光源相似，也需要设置众多的属性。
不同的是，光源是通过glLight*函数来设置的，而材质则是通过glMaterial*函数来设置的。
glMaterial*函数有三个参数。
第一个参数表示指定哪一面的属性。
可以是GL_FRONT、GL_BACK或者GL_FRONT_AND_BACK。
分别表示设置“正面”“背面”的材质，或者两面同时设置。
第二、第三个参数与glLight*函数的第二、三个参数作用类似。
本作业中只用到了材质的发射光颜色，太阳、地球、月亮分别为红色、蓝色和黄色，如设置太阳glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION,sun_emission）;
技术流程图：
源代码：
#include
#include
voidInitial（）
{
GLfloatlight0_diffuse[]={1.0f,0.5f,0.0f,1.0f};//light0中漫反射光分量
GLfloatlight0_position[]={10.0f,20.0f,-150.0f,1.0f};//light0的坐标位置
GLfloatlight0_direction[]={0.0f,0.0f,-1.0f};//light0的聚光灯方向角
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light0_diffuse）;//light0在太阳中心
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_POSITION,light0_position）;
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_SPOT_DIRECTION,light0_direction）;
glEnable（GL_DEPTH_TEST）;//启用深度测试
glEnable（GL_LIGHTING）;//启用光源
glEnable（GL_LIGHT0）;//使用0号光照
glEnable（GL_COLOR_MATERIAL）;//启用颜色材质模式
glFrontFace（GL_CCW）;//指定逆时针绕法表示多边形正面
}
voidChangeSize（intw,inth）
{
if（h==0）h=1;
glViewport（0,0,w,h）;//设置视区尺寸
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;//指定当前操作投影矩阵堆栈
glLoadIdentity（）;//重置投影矩阵
gluPerspective（35.0,（float）w/（float）h,1.0,500.0）;//指定透视投影的观察空间
glMatrixMode（GL_MODELVIEW）;//投影矩阵
glLoadIdentity（）;//加载单位矩阵
}
voidDisplay（void）
{
staticfloatangle1=0.0f,angle2=0.0f;
//angle1地球绕太阳旋转的角度，angle2月亮绕地球旋转的角度
GLfloatsun_emission[]={0.6f,0.0f,0.0f,1.0f};//太阳颜色
GLfloatearth_emission[]={0.0f,0.0f,0.8f,1.0f};//地球颜色
GLfloatmoon_emission[]={0.98f,0.625f,0.12f,1.0f};//月亮颜色
GLfloatlight1_diffuse[]={0.5f,0.8f,0.0f,1.0f};//光源light1中漫反射光分量
GLfloatlight1_position[]={50.0f,100.0f,100.0f,1.0f};//光源light1的坐标位置
GLfloatlight1_direction[]={0.0f,0.0f,-1.0f};//光源light1的聚光灯方向角
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT）;//清除颜色和深度缓冲区
glMatrixMode（GL_MODELVIEW）;//指定当前操作模型视图矩阵堆栈
glLoadIdentity（）;//重置模型视图矩阵
glTranslatef（0.0f,0.0f,-150.0f）;//将图形沿z轴负向移动150.0f
//绘制太阳
glEnable（GL_LIGHT1）;
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,light1_diffuse）;
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_POSITION,light1_position）;
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_SPOT_DIRECTION,light1_direction）;
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION,sun_emission）;
glutSolidSphere（12.0f,30,30）;//绘制太阳
glDisable（GL_LIGHT1）;
//绘制地球
glPushMatrix（）;//保存当前的矩阵视图模型
glRotatef（angle1,0.0f,10.0f,1.0f）;//旋转一定角度
glTranslatef（40.0f,0.0f,0.0f）;//绕x轴正向移动40.0f
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION,earth_emission）;
glutSolidSphere（6.0f,20,20）;//绘制地球
//绘制月亮
glRotatef（angle2,0.0f,1.0f,0.0f）;
glTranslatef（15.0f,0.0f,0.0f）;//绕x轴方向移动15.0f
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION,moon_emission）;
glutSolidSphere（3.0f,20,20）;//绘制月亮
glPopMatrix（）;//恢复矩阵视图模型
angle1+=2.0f;//增加旋转步长，产生动画效果
if（angle1==360.0f）
angle1=0.0f;
angle2+=20.0f;
if（angle2==360.0f）
angle2=0.0f;
glutSwapBuffers（）;//双缓冲下使用该函数交换两个缓冲区的内容
}
voidTimerFunc（intx）
{
glutPostRedisplay（）;//重绘图像
glutTimerFunc（100,TimerFunc,1）;//定时
}
intmain（intargc,char*argv[]）
{
glutInit（&argc,argv）;
glutInitDisplayMode（GLUT_DOUBLE|GLUT_RGB|GLUT_DEPTH）;
//设置图形显示模式为双缓冲，深度缓冲，建立RGB模式窗口
glutInitWindowSize（640,480）;
glutInitWindowPosition（400,200）;
glutCreateWindow（"太阳地球月亮"）;
glutReshapeFunc（ChangeSize）;
glutDisplayFunc（Display）;
glutTimerFunc（500,TimerFunc,1）;
Initial（）;
glutMainLoop（）;
return0;
}
运行效果图：
四、心得
在本学期的计算机图形学学习中，不仅让我学习到了很多图形学知识，期末的作业更培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
学习计算机图形学不能停留在学习它的程序语言，而是利用学到的知识编写C语言程序来验证自己的想法，深入理解图形生成的原理，解决实际问题。
而且计算机图形学是依附在C语言编程基础之上的，我们对图形生成算法的理解要通过C程序才能体现出来。
通过本学期对计算机图形学这门课的学习，使我们巩固了一些关于C语言的知识，理解了我们计算机图形学的理论知识，这对我们将来到社会工作将会有莫大的帮助。
同时它让我知道计算机图形的强大和瑰丽之处，虽然我们学的都是基本的生成算法，但是通过老师展示的几个计算机图形学高级程序，我们才了解到计算机图形学可以做出非常华丽的视觉效果，而且只要你努力，任何东西都不会太难。
最后，还是很庆幸能学到计算机图形学这样的一门课程，在学习本课程的同时，已经涉及了很多的学科，让我们更有能力成为全方位、多特色的新世纪人才。
使我们的编程能力、思维能力都获得了提高。
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