3D游戏图形学实验一分解.docx
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3D游戏图形学实验一分解
《3D游戏图形学》
实验指导书
浙江理工大学
二０一五年十月
课程实验指导
一、实验总体方案
1.教学目标与基本要求
1）掌握本书所介绍的图形算法的原理。
2）掌握通过具体的平台实现图形算法的方法，培养学生使用现代图形系统API的能力。
3）通过实验培养具有开发一个基本图形软件包的能力。
2.实验平台
实验主要结合OpenGL设计程序，实现各种课堂教学中讲过的图形算法。
程序设计语言主要以C/C++为主，开发平台是VisualC++。
3.实验步骤
1）预习教材与实验指导的实验具体方案部分相关的算法理论及原理。
2）仿照教材与实验指导提供的算法，利用VC++OpenGL进行实验。
3）调试、编译、运行程序，运行通过后，可考虑对程序进行修改或改进。
二、实验预备知识
OpenGL作为当前主流的图形API之一，在一些场合具有比DirectX更优越的特性。
（1）与C语言紧密结合
OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的，对于学习过C语言的人来讲，OpenGL很容易理解和学习。
（2）强大的可移植性
微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只适用于Windows系统，而OpenGL不仅适用于Windows，还可以用于Unix/Linux等其他系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机上都有应用。
并且，OpenGL的基本命令都做到了硬件无关，甚至是平台无关。
（3）高性能的图形渲染
OpenGL是一个工业标准，它的技术紧跟时代，现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持，激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。
总之，OpenGL是一个非常优秀的图形软件接口。
下面对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。
以下几点是学习OpenGL前的准备工作。
1.选择一个编译环境
现在Windows系统的主流编译环境有VisualC++，C++Builder，Dev-C++等，它们都支持OpenGL。
这里选择VisualC++作为学习OpenGL的实验环境。
2.安装OpenGL工具包
1）将OpenGL工具包dll文件夹中的*.dll文件放到操作系统目录下面的system32文件夹（其路径一般为：
C:
\Windows\System32）。
2）打开VC，在VC中选择Tools→Options→Directories，然后在Showdirectoriesfor中选择Includefiles，在下面添加OpenGL工具包中Include文件夹的路径，如下图所示：
3）类似地，在Showdirectoriesfor中选择libraryfiles，在下面添加OpenGL工具包中lib文件夹的路径，然后按OK。
如下图所示：
3.建立一个OpenGL工程
打开VC后，在VC中选择File→New→Project，然后选择Win32ConsoleApplication,选择一个名字，然后按“OK”。
在弹出的对话框中点Anemptyproject，选择Finish。
然后向该工程添加一个源文件，选择一个名字。
三、实验报告要求
（1）有实验报告封面
（2）给出简要的设计思路（原理）。
（3）给出实现代码。
（4）给出实验结果的屏幕截图。
（5）实验的心得体会或建议。
实验一VC++6.0+OpenGL绘图环境及基本图形学算法
实验项目性质：
验证性实验
所属课程名称：
3D游戏图形学
实验计划学时：
3学时
一．实验目的
1、熟悉OpenGL的主要功能；
2、掌握OpenGL的绘图流程和原理；
3、掌握OpenGL核心函数的使用；
4、理解基本图形元素光栅的基本原理；
5、掌握直线和圆的多种生成算法。
二．实验内容
1、创建一个OpenGL工程，利用OpenGL库函数进行简单图形设计与绘制；
2、编程实现DDA算法和Bresenham算法生成直线；
3、编程实现中点算法生成圆。
三．实验原理
1、基本语法（C版本下的OpenGL语法）
OpenGL基本函数均使用gl作为函数名的前缀，如glClearColor（）；实用函数则使用glu作为函数名的前缀，如gluSphere（）。
OpenGL基本常量的名字以GL_开头，如GL_LINE_LOOP；实用常量的名字以GLU_开头，如GLU_FILL。
一些函数如glColor*（）（定义颜色值），函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式，如glColor3b（）、glColor3d（）、glColor3f（）和glColor3bv（）等，这几个函数在功能上是相似的，只是适用于不同的数据类型和格式，其中3表示该函数带有三个参数，b、d、f分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型，v则表示这些参数是以向量形式出现的。
OpenGL定义了一些特殊标识符，如GLfloat、GLvoid，它们其实就是C中的float和void。
2、程序的基本结构
OpenGL程序的基本结构可分为三个部分：
第一部分是初始化，主要是设置一些OpenGL的状态开关，如颜色模式（RGBA或ALPHA）的选择，是否作光照处理（若有的话，还需设置光源的特性），深度检验、裁剪等。
这些状态一般都用函数glEnable（…）、glDisable（…）来设置，“…”表示特定的状态。
第二部分设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置大小，主要利用了三个函数：
函数voidglViewport（left,top,right,bottom）设置在屏幕上的窗口大小，四个参数描述屏幕窗口四个角上的坐标（以像素表示）；
函数voidglOrtho（left,right,bottom,top,near,far）设置投影方式为正交投影（平行投影），其取景体积是一个各面均为矩形的六面体；
函数voidgluPerspective（fovy,aspect,zNear,zFar）设置投影方式为透视投影，其取景体积是一个截头锥体。
第三部分是OpenGL的主要部分，是使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的数学描述，包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等。
3、OpenGL状态机制
OpenGL的工作方式是一种状态机制，它可以进行各种状态或模式设置，这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。
例如，当前颜色就是一个状态变量，在这个状态改变之前，绘制的每个像素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其他颜色为止。
OpenGL中大量地使用了这种状态机制，如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等。
许多状态变量可以通过glEnabel（）、glDisable（）这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度测试等；在被设置成有效状态之后，绝大部分状态变量都有一个缺省值。
四．实验代码
1、如预备知识所述，安装OpenGL工具包，创建一个OpenGL工程，在源文件上输入如下代码：
#include
#include
//初始化OpenGL场景
voidmyinit（void）
{
glClearColor（0.0,0.0,0.0,0.0）;//将背景置成黑色
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;
gluOrtho2D（0.0,200.0,0.0,150.0）;
glShadeModel（GL_FLAT）;//设置明暗处理
}
//用户的绘图过程
voiddisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
//清除缓存
glBegin（GL_LINES）;//开始画一根白线
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;//设置颜色为白色
//设置第一根线的两个端点，请注意：
OpenGL坐标系的原点是在屏幕左下角
glVertex2f（10.0f,50.0f）;
glVertex2f（110.0f,50.0f）;
glColor3f（1.0f,0.0f,0.0f）;//设置颜色为红色
//设置第二根线的两个端点
glVertex2f（110.0f,50.0f）;
glVertex2f（110.0f,150.0f）;
glEnd（）;//画线结束
glFlush（）;//绘图结束
}
//
//主过程：
//初始化Windows的窗口界面
//并初始化OpenGL场景，绘图
intmain（intargc,char**argv）
{
glutInit（&argc,argv）;
glutInitDisplayMode（GLUT_SINGLE|GLUT_RGB）;//初始化窗口的显示模式
glutInitWindowSize（400,300）;//设置窗口的尺寸
glutInitWindowPosition（100,120）;//设置窗口的位置
glutCreatWindow（“”）；//创建一个名为“”的窗口
glutDisplayFunc（Display）;//设置当前窗口的显示回调函数
myinit（）；//完成窗口初始化
glutMainLoop（）;//启动主GLUT事件处理循环
return（0）;
}
glaux.lib
glu32.lib
glut32.lib
opengl32.lib
注：
glShadeModel选择平坦或光滑渐变模式。
GL_SMOOTH为缺省值，为光滑渐变模式，GL_FLAT为平坦渐变模式。
该程序是在一个黑色的窗口中画两条线，分别用白色和红色绘制。
首先，需要包含头文件#include，这是GLUT的头文件。
本来OpenGL程序一般还要包含和，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含。
然后是main函数，其使用GLUT库实现窗口管理。
我们关注的是display（）函数，它是我们真正绘图的地方。
函数glColor3f（）以RGB方式设置颜色，格式为：
glColor3f（red，green，blue），每种颜色值在（0.0,1.0）之间。
函数glVertex2f（x,y）设置二维顶点。
函数glBegin（UINTState）、glEnd（）是最基本的作图函数，下面对它作一介绍。
如上所述，OpenGL是一个状态机，glBegin（UINTState）可以设定如下状态：
GL_POINTS画点
GL_LINES画线，每两个顶点（Vertex）为一组
GL_LINE_STRIP画线，把若干个顶点顺次连成折线
GL_LINE_LOOP画线，把若干个顶点顺次连成封闭折线
GL_TRIANGLES画三角形，每三个顶点为一组
GL_QUADS画四边形，每四个顶点为一组
GL_POLYGON画多边形
还有GL_TRIANGLE_STRIP,GL_TRIANGLE_FAN,GL_QUADS_STRIP等等。
大家把每一种状态都试一试。
另外，程序可以有多组glBegin（）、glEnd（）并列的形式，如：
......
glBegin（GL_LINES）;
......
glEnd（）;
glBegin（GL_QUADS）;
......
glEnd（）;
......
除了上述的基本图元外，函数glRectf（x1,y1,x2,y2）可以画一个矩形，但这个函数不能放在glBegin（）和glEnd（）之间，下面的两句程序是画一个蓝色的矩形。
glColor3f（0.0f,0.0f,1.0f）;
glRectf（10.0f,10.0f,50.0f,50.0f）;
要求：
利用OpenGL库函数绘制基本图形，输出绘制结果。
voiddisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
//清除缓存
glBegin（GL_LINES）;//开始画一根白线
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;//设置颜色为白色
//设置第一根线的两个端点，请注意：
OpenGL坐标系的原点是在屏幕左下角
glVertex2f（10.0f,50.0f）;
glVertex2f（110.0f,50.0f）;
glColor3f（1.0f,0.0f,0.0f）;//设置颜色为红色
//设置第二根线的两个端点
glVertex2f（110.0f,50.0f）;
glVertex2f（110.0f,150.0f）;
glEnd（）;
glColor3f（0.0f,0.0f,1.0f）;
glRectf（10.0f,10.0f,50.0f,50.0f）;
//画线结束
glFlush（）;//绘图结束
}
2、创建一个新的OpenGL工程，在源文件上输入如下代码：
//DDA算法
#include
voidLineDDA（intx0,inty0,intx1,inty1）
{
intx,dy,dx,y;
floatm;
dx=x1-x0;
dy=y1-y0;
m=dy/dx;
y=y0;
glColor3f（1.0f,1.0f,0.0f）;
glPointSize
（1）;
for（x=x0;x<=x1;x++）
{
glBegin（GL_POINTS）;
glVertex2i（x,（int）（y+0.5））;
glEnd（）;
y+=m;
}
}
voidmyDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）;
glColor3f（1.0f,0.0f,0.0f）;
glRectf（25.0,25.0,75.0,75.0）;
glPointSize（5）;
glBegin（GL_POINTS）;
glColor3f（0.0f,1.0f,0.0f）;glVertex2f（0.0f,0.0f）;
glEnd（）;
LineDDA（0,0,200,300）;
glBegin（GL_LINES）;
glColor3f（1.0f,0.0f,0.0f）;glVertex2f（100.0f,0.0f）;
glColor3f（0.0f,1.0f,0.0f）;glVertex2f（180.0f,240.0f）;
glEnd（）;
glFlush（）;
}
voidInit（）
{
glClearColor（0.0,0.0,0.0,0.0）;
glShadeModel（GL_FLAT）;
}
voidReshape（intw,inth）
{
glViewport（0,0,（GLsizei）w,（GLsizei）h）;
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;
glLoadIdentity（）;
gluOrtho2D（0.0,（GLdouble）w,0.0,（GLdouble）h）;
}
intmain（intargc,char*argv[]）
{
glutInit（&argc,argv）;
glutInitDisplayMode（GLUT_RGB|GLUT_SINGLE）;
glutInitWindowPosition（100,100）;
glutInitWindowSize（400,400）;
glutCreateWindow（"HelloWorld!
"）;
Init（）;
glutDisplayFunc（myDisplay）;
glutReshapeFunc（Reshape）;
glutMainLoop（）;
return0;
}
介绍一下glutReshapeFunc（）函数：
首次打开窗口、移动窗口和改变窗口大小时，窗口系统都将发送一个事件，以通知程序员。
如果使用的是GLUT，通知将自动完成，并调用向glutReshapeFunc（）注册的函数。
该函数必须完成下列工作：
a．重新建立用作新渲染画布的矩形区域；
b．定义绘制物体时使用的坐标系。
如：
voidReshape（intw,inth）
{
glViewport（0,0,（GLsizei）w,（GLsizei）h）;
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;
glLoadIdentity（）;
gluOrtho2D（0.0,（GLdouble）w,0.0,（GLdouble）h）;
}
在GLUT内部，将给该函数传递两个参数：
窗口被移动或修改大小后的宽度和高度，单位为像素。
glViewport（）调整像素矩形，用于绘制整个窗口。
接下来三个函数调整绘图坐标系，使左下角位置为（0，0），右上角为（w，h）。
要求：
1）根据所给的直线光栅化的示范源程序，在计算机上编译运行，输出正确结果（示范代码有错误，指出并改正）；
示范代码展示：
voidLineDDA（intx0,inty0,intx1,inty1）
{
floatx,dy,dx,y;
floatm;
dx=x1-x0;
dy=y1-y0;
m=dy/dx;
y=y0;
glColor3f（1.0f,1.0f,0.0f）;
glPointSize
（1）;
for（x=x0;x<=x1;x++）
{
glBegin（GL_POINTS）;
glVertex2i（x,（int）（y+0.5））;
glEnd（）;
y+=m;
}
}
2）根据示范程序采用的算法，以此为基础将其改造为Bresenham算法，写入实验报告；
voidBresenhamline（intx0,inty0,intx1,inty1,intcolor）
{
intx,y,dx,dy;
floatk,e;
dx=x1-x0,dy=y1-y0,k=dy/dx;
e=-0.5,x=x0,y=y0;
for（inti=0;i<=dx;i++）
{
glPointSize（2.0f）;
glBegin（GL_POINTS）;
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;
glVertex2f（x,y）;
glEnd（）;
x=x+1,e=e+k;
if（e>=0）
{
y++,e=e-1;
}
}
}
3）根据示范代码，将其改造为圆的光栅化算法，要求实现圆的中点算法，并利用八分法画出整圆。
圆的光栅化算法：
voidsetRound（GLintxc,GLintyc,GLintN）{
for（inti=0;i{
intx=xc,y=yc;
glLineWidth（4.0f）;
glBegin（GL_POINTS）;
glColor3f（0,1.0f,1.0f）;
glVertex2f（x+R*cos（2*Pi/N*i）,y+R*sin（2*Pi/N*i））;
glEnd（）;
}
}
圆的中点算法：
voidDrawCirle（intradius）
{
intx,y;
floatd;
x=0;
y=radius;
d=5-4*radius;
floatdeltaE=12;
floatdeltaSE=20-8*radius;
glPointSize（3）;
glBegin（GL_POINT）;
glColor3f（0.0,1.0,0.0）;
glVertex2i（x,y）;
glEnd（）;
while（y>x）
{
if（d<=0）
{
d+=deltaE;
deltaSE+=8;
}
else
{
d+=deltaSE;
deltaSE+=16;
y--;
}
deltaE+=8;
x++;
glBegin（GL_POINTS）;
glVertex2i（x,y）;
glVertex2i（x,-y）;
glVertex2i（-x,y）;
glVertex2i（-x,-y）;
glVertex2i（y,x）;
glVertex2i（y,-x）;
glVertex2i（-y,x）;
glVertex2i（-y,-x）;
glEnd（）;
}
}
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