计算机图形学实验指导书.docx

1、计算机图形学实验指导书计算机图形学实验指导书 安徽建筑工业学院前 言计算机图形学是计算机类专业的一门主干必修专业课程，又是一门实践性很强的课程，它包括理论和实验两部份，计算机图形学实验是对理论的应用和理解。计算机图形学实验要求学生能用程序设计方法、计算方法、数据结构课程的知识进行综合编程，同时强调编程技能。本实验指导书的目的是根据实验项目的要求，对基本算法给出提示，并附某些算法的参考程序，让学生加深理解图形学的基本概念和算法，提高编程技能。通过本课程的学习与上机实践，让学生不仅能掌握二、三维图形系统的原理与算法，并具有一定的二、三维图形应用系统开发能力。为今后从事计算机辅助设计和制造、科学计算

2、可视化、计算机图形处理等方面的工作打下良好的基础。本实验指导书就是根据计算机组图形学课程教学大纲和实验教学大纲的基本要求而编写的。本书内容包括用C语言绘制图形和简单动画、直线及圆弧的生成算法、Bezier曲线和样条曲线的生成算法、实现二维图形的几何变换、绘制三维图形、实现三维图形的几何变换、绘制Bezier曲面、进行多边形的裁剪及填充、编制动画程序、变形龙游戏的设计与实现等十个实验。每个实验后面都附有实验报告。目 录基础知识 C程序绘图基础 4实验一 直线的生成算法 17实验二 Bezier曲线生成算法 21实验三 编制动画程序 25基础知识 C程序绘图基础一、用C语言绘制图形的步骤 1、为了

3、调用C语言提供的图形库函数，在程序的开头写上文件的包含命令； # include 2、图形系统初始化及关闭图形方式 初始化是通过调用 initgraph( )函数来完成 ，它的调用格式为： initgraph (* gdriver,* gmode,* path); 该函数的功能是通过从磁盘上装入一个图形驱动程序来初始化图形系统，并将显示器设置到指定图形方式下。参数gdriver, gmode, path的含义参见教材的有关章节。 在运行图形程序结束后，又要回到文本方式，以进行其它工作，这时应关闭图形方式。其格式为：closegraph( )。 3、图形显示器的工作方式1） 文本模式与字符坐标系

4、在未通过图形初始化之前的屏幕上，只能显示字符的方式称为文本模式。C语言能在指定位置显示字符，该坐标系以屏幕的左上角为坐标原点，水平向为x轴，自左向右；垂直方向为y轴，自上向下，坐标原点为（1，1）。能显示的行数、列数及颜色与显示方式有关。Turbo C支持6种不同的文本显示方式。2） 图形模式与点坐标系在屏幕上能显示图形的方式称为图形方式。屏幕是由像素点组成的，通过initgraph函数的gmode参数来指定屏幕的分辨率，分辨率决定了像素点的多少。在图形方式下，屏幕上每个像素的显示位置用点坐标系来描述。在该坐标系中，屏幕的左上角为坐标原点O（0，0），水平向为x轴，自左向右；垂直方向为y轴，自

5、上向下。如图1-1所示。分辨率不同，水平方向和垂直方向上的点数也不一样，即其maxx、maxy的数值不同。在Turbo C中，坐标数据有两种形式给出：一种是绝对坐标；另一种是相对坐标。绝对坐标的参考点是坐标的原点O（0，0），x 和y的值只能取规定范围内的正整数，其坐标值在整个屏幕范围内确定。相对坐标是相对于“当前点”的坐标，所以其参考点不是坐标系的原点，而是当前点。要相对坐标中，x和y的取值是相对于当前点在X方向和Y方向上的增量，这个增量可以是正的，也可以是负的，所以x和y的值可以是正整数，也可以是负整数。此外，把在一个窗口范围内确定的坐标也称为相对坐标。二、C语言中的基本绘图函数及其用法1

6、、绘图函数在用绘图函数作图时，有的绘图函数坐标是相对于坐标原点，用绝对坐标。有的绘图函数用相对坐标，这时要随时注意图形的“当前点位置”，它是绘图的起始位置。也就是说，图形总是从当前点开始画图。画完一个图形后，有的当前点不变，仍在原来的位置；而有时会移到新的位置。1) 直线类绘图函数用直线类函数绘制直线图形，可以用两种坐标：一种是绝对坐标；另一种是相对坐标。几个常用的函数： 点的绝对定位函数 moveto(x,y) 点的相对定位函数 moverel(deltayx,deltay)它们不绘制图形，只改变当前点的位置，接着用绘图函数绘图。 指定两个绝对点绘直线函数： line(x1,y1,x2,y2

7、) 该函数不改变当前点的位置。 从当前点到指定的绝对点绘直线函数： lineto(x,y) 该函数画线的同时，将当前点的位置移到（x,y）。 从当前点到指定的相对点绘直线函数： linerel(dx,dy) 该函数画线的同时，将当前点的位置移到（x+dx,y+dy）。设当前坐标为（x,y）则linerel(dx,dy)与lineto(x+dx,y+dy)等价。 读取当前点的位置x,y函数分别为： getx(void),gety(void) 读取x,y轴的最大值函数分别为：getmaxx(void),getmaxy(void)2) 多边形类绘图函数1 画矩形函数 rectangle(x1,y1,

8、x2,y2)；2 画多边形函数：drawpoly(n ,* polypoints)其中参数,n为多边形数；* polypoints 指向一个整形数组，共有2n 个整数组成,每对整数给出了一个多边形顶点(x,y)坐标。 2、图形属性的设置图形属性的设置包括绘制该图形所用的颜色和线型。颜色又分为背景色和前景色：背景色指的是屏幕的颜色，即绘图时的底色；前景是指绘图时图形线条所用的颜色。背景色和前景色的设置，只对设置后所绘制的颜色和线型有作用，对已经绘制的图形无作用。1) 设置前景色设置前景颜色所用的函数 setcolor。其调用格式为：setcolor(color);其中color为一个整型数值，代

9、表所取的颜色。2) 设置背景色设置背景颜色所用的函数 sebktcolor。其调用格式为：setbkcolor(color);其中color为一个整型数值，代表所取的颜色。3）设置线型设置当前绘图所用的线型和线宽，用函数 setlinestyle。线型和线宽的设置仅限于对直线类图形有效。其调用格式为：setlinestyle(sty,pat,b);sty：整型值，用来定义所画直线的类型；pat用户定义线型使用； b整型值，用来定义定义所画直线的线宽。在屏幕上绘制出各种简单的几何图形，要求设置不同的线形和颜色。3、 填充填空是指用指定的模式和颜色来填空一个指定的封闭区域。1) 设置当前的填充模式

10、和颜色设置填充模式和颜色，用函数setfillstyle，其调用格式为：setfillstyle(pattern,color);2) 实施填充对于指定的一块有界的封闭区域进行填充操作，用函数floodfill，其调用格式为：floodfill(x,y,bcolor);参数(x,y)指位于填充区域内任意一点的坐标，该点作为填充的起始点，参数bcolor作为填充区域的边界颜色。如果起始点在封闭区域内，则区域内部被填充；如果起始点在封闭区域外，则区域外部被填充。同学们可以自行验证。3) 其它填充函数以下几个填充函数，均须事先由setfillstyle 函数指定当前的填充模式和颜色。 绘制并填充实椭圆

11、函数: fillellipse(x,y,rx,ry)； 绘制并填充实椭圆扇区函数: sector(x,y,angs,ange,rx,ry) 绘制并填充多边形函数：fillpoly(nps ,*pxy)4、 屏幕管理Turbo C2.0 提供了11个函数，用于对屏幕和视区进行管理。1）设置视图区在图形方式下，可用函数setviewport在屏幕上定义一个视图区。视图区相当于一个用于绘图的窗口。视图区的位置和大小用屏幕的绝对坐标定义，并且可把视图区设置为裁剪和不裁剪两种状态。函数setviewport的调用格式为：setviewport（x1,y1,x2,y2,c）;参数x1,y1：为视图区矩形的

12、左上角顶点坐标；x2,y2：为视图区矩形的右下角顶点坐标。c为裁剪状态参数。c=1，超出视图区的图形部分被自动裁剪掉；c=0时，对超出部分不作裁剪处理。应注意：视图区建立以后，所有的图形输出坐标都是相对于当前视图区的，即视图区左上角点为坐标(0,0)点，而与视图区和图形在屏幕上的位置无关。在默认情况下，整个屏幕为一个视图区。2）清除视图区清除视图区用函数 clearviewport。它的作用是清除掉当前视图区，将当前点的位置设置于屏幕左上角(0，0)点。调用格式为：clearviewport（）；3）清屏清屏的函数为 cleardevice ();实验一 直线的生成算法一、实验目的几种直线生成

13、算法的比较，特别掌握用Bresenham直线生成算法。二、基本要求用不同的生成算法在屏幕上绘制出直线的图形，对不同的算法可设置不同的线形或颜色表示区别。三、算法提示 1、有关直线生成算法有：DDA（数值微分）直线算法、直线Bresenham生成算法。 直线Bresenham生成算法思想如下（第一象限，且斜率k0，则yi+1=yi+1，否则 yi+1=yi;3) 画点（xi+1，yi+1）；4) 求下一个误差Pi+1点，如果Pi0，则Pi+1=Pi+2dy-2dx，否则 Pi+1=Pi+2dy;5) i=i+1，如果i=xo & xa=0 & yady) c=dx; else c=dy; ddx

14、=dx*1.0/c; ddy=dy*1.0/c; x=xo*1.0; y=yo*1.0; setcolor(12); line(xo,yo,xa,ya); getch(); while (c=0) i=round(x); j=round(y); putpixel(i,j,14); x=x+ddx; y=y-ddy; c=c-1; else printf(data error); getch(); closegraph(); int round(ff)float ff; int k; if (ff-(int)ff)0.5) k=(int)ff+1; else k=(int)ff; k=(int)

15、ff; return(k); 实验二Bezier曲线的生成算法一、实验目的1、 复习Bezier曲线参数表示法。2、 编程实现用二次Bezier曲线绘制。3、编程实现用三次Bezier曲线绘制和分段光滑Bezier曲线图形的绘制。二、基本要求 1、编程实现在屏幕上绘制出两次Bezie曲线的几何图形和特征多边形图形，对于直线和曲线设置不同的线形和颜色。 2、现在屏幕上绘制出三次Bezie曲线的几何图形和特征多边形图形，对于直线和曲线设置不同的线形和颜色。3、 编程实现用分段三次Bezier曲线绘制光滑Bezier曲线图形。三、算法提示1、 二次Bezier曲线的计算公式为：P(t)=(P0-2P

16、1+P2)t2+(-2P0+2P1)t+P0X(t)=(X0-2X1+X2)t2+(-2X0+2X1)t+X0Y(t)=(Y0-2Y1+Y2)t2+(-2Y0+2Y1)t+Y0其中P0、P1、P2为三个已知的点，坐标分别为(X0、Y0)、(X1、Y1)、(X1、Y2)。2、 三次Bezier曲线的计算公式为：P(t)=(-P0+3P1-3P2+P3)t3+(3P0-6P1+3P2)t2+(-3P0+3P1)t+P0X(t)= (-X0+3X1-3X2+X3)t3+(3X0-6X1+3X2)t2+(-3X0+3X1)t+X0Y(t)= (-Y0+3Y1-3Y2+Y3)t3+(3Y0-6Y1+3Y

17、2)t2+(-3Y0+3Y1)t+Y0其中P0、P1、P2、P3为四个已知的点，坐标分别为(X0、Y0)、(X1、Y1)、(X1、Y2) 、(X3、Y3)。3、程序设计方法 根据Bezier曲线的定义，输入Bezier曲线的特征多边形（例如三次Bezier曲线输入四个型值点），然后把t从01分成n等分，按相应的Bezier曲线公式计算出Bezier曲线上的点，用绘直线段的方法依次这些点连接起来，就得到Bezier曲线。如果要画多段Bezier曲线，可设置一些变量存放Bezier曲线的条数，按条数依次绘制出来即可。四、上机作业题1、编程绘制三次 Bezier 曲线。2、改变已知点的坐标值，曲线形

18、状有什么变化？五、参考实例源程序1、绘制二次 Bezier 曲线的源程序/* 二次 Bezier 曲线一般算法 */#include ”graphics.h”#include conio.hvoid main()int gdriver=CGA,gmode=0;initgraph(&gdriver,&gmode,”)void Bezier_2(int color,double p32) double t,xt,yt; int rate=200,x,y; setcolor(color); moveto(p00,p01); for (t=0;t=1;t+=1.0/rate) yt=1-t; xt=p

19、00*yt*yt+p10*2*yt*t+p20*t*t; yt=p01*yt*yt+p11*2*yt*t+p21*t*t; x=(int)(xt); y=(int)(yt); lineto(x,y); void main(void) static double p32=50,400,340,20,635,420; const N0=3; /* 特征顶点个数 */ int i; Initialize(); /* Set system into Graphics mode */ setcolor(WHITE); moveto(p00,p01); for (i=1;iN0;i+) lineto(pi

20、0,pi1); Bezier_2(LIGHTRED,p); while (getch()!=ESC); /* 按 ESC 键退出 */ closegraph(); /* Return the system to text mode */实验三 制动画程序一、实验目的1、复习实现动画的几种编程方法，比较不同方法的差别。2、综合运用所学知识绘制复杂性图形（包括前景图和背景图）。3、学会用多图形页功能设计动画程序。4、学会用位图像函数设计动画程序。二、基本要求 1、发挥你的想象能力，利用重画技术设计一个动画程序。 2、利用多图形页功能设计一个动画程序。 3、用位图像函数设计一个动画程序。三、几种常见

21、动画的程序设计思想1、利用重画技术设计动画程序在屏幕上绘制一幅图形，用delay 函数廷时一段时间，及cleardevice函数清屏，在屏幕上的新位置绘制另一幅图形。再廷时一段时间，这样不断重复，能使整个屏幕产生动起来的效果。2、利用多图形页功能设计动画程序对于支持多个图形页功能的图形卡来说，可以用setactivepage函数把指定图形页设成活动页，用 setvisualpage函数把指定图形页设成显示页（可见页）。活动页可以是当前显示页，也可以是非显示页，但当前的运行程序只能在活动页上绘制。所以，当用setactivepage函数选定某一页为活动页后，其后所有的图形函数的输出都是针对该页的

22、。因为存在有多个图形页，所以在程序中，可以把一个页设置成显示页，显示这一页的图形；而在同时把另一页设置成活动页，程序在活动页上绘图。当活动页上绘完图后，再互换这两个页的设置。这就相当于在“后头”绘图，整个绘图过程在后头完成；然后拿到前头支显示，在前头显示的是绘制完整的图形画面，如此重复。这样画面的连续性就会有所改善。函数setactivepage和函数setvisualpage的用法为：setvisualpage(int pagenum) setvisualpage (int pagenum)其中参数pagenum为页号。对于支持两个图形页的图形卡,页号取0和1。系统默认值取0。3、用位图像函

23、数设计动画程序Turbo C中有两个函数getimage和putimage，是用于存取和输出屏幕位图图像信息的。其中，getimage函数的功能是将屏幕上指定区域中的一个位图图像取下并存到内存中；putimage函数的功能是将内存中的位图图像按指定 的方式输出到屏幕上的指定位置上。这两个函数的调用方法为：3) getimage的调用方法getimage(x1,yt,xr,yb,* bitmap);其中参数x1,yt,xr,yb为整型变量，指定位图所在的矩形区域的对角点坐标。 * bitmap内存中存放位图信息的地址。4) putimage的调用方法putimage(x,y,* bitmap，o

24、p);其中参数x,y为整型变量，指定图像在屏幕上输出位置的定位点坐标。 * bitmap内存中存放位图信息的地址。op为位图图像的输出方式，见表9-1。符号常量数值说 明OpCOPY_PUTXOR_PUTOR_PUTAND_PUTNOT_PUT01234拷 贝异 或或与拷贝源图像的非四、上机作业题 1、发挥你的想象能力，利用多图形页功能设计一个动画程序。 2、发挥你的想象能力，用位图像函数设计一个动画程序。五、实例程序：以下实例程序在Turbo C下调试通过1、用重画技术为实现汽车从左向右运行，同时天空的月亮从右向左运行/* cglrmxam0509.c */#include graphics

25、.h#include conio.h#define TIME 4500/* The function to paint MOON*/ void moon(int x,int y,int r) setcolor(WHITE); arc(x,y,-120,120,r); arc(x-0.5*r,y,-90,90,0.87*r); setfillstyle(SOLID_FILL,WHITE); floodfill(x+0.5*r,y,WHITE); return; /* The function to paint CAR*/ void car(int dx,int color,int nu,int

26、*p) int i; for(i=0;i2*nu;i+=2) *(p+i)=*(p+i)+dx; setcolor(color); setfillstyle(SOLID_FILL,color); fillpoly(nu,p); setfillstyle(SOLID_FILL,DARKGRAY); fillellipse(*p+15,350,10,10); fillellipse(*p+65,350,10,10); return; void main(void) int gdriver=DETECT,gmode,errorcode; int pcar92=5,350,90,350,90,335,

27、70,335,65,320,25,320,20,335, 5,335,5,350; int road52=0,360,0,479,639,479,639,360,0,360; int i; initgraph(&gdriver,&gmode,E:TC ); cleardevice(); setbkcolor(LIGHTBLUE); setfillstyle(SOLID_FILL,GREEN); fillpoly(5,road); moon(480,120,50); car(5,RED,9,pcar); settextstyle(TRIPLEX_FONT,HORIZ_DIR,4); outtextxy(40,40,PRESS ANY KEY TO START); getch(); for(i=0;i54;i+) cleardevice(); setfillstyle(SOLID_FILL,GREEN); fillpoly(5,road); moon(480-6*i,120,50); car(10,RED,9,pcar)