《计算机图形学》课程实验指导1课件.docx

1、计算机图形学课程实验指导1课件计算机图形学课程实验指导一实验总体方案1教学目标与基本要求（1）掌握教材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，培养相应能力；（3）通过实验培养具有开发一个基本图形软件包的能力。2.实验平台与考核实验主要结合OpenGL设计程序实现各种课堂教学中讲过的图形算法为主。程序设计语言主要以C/C+语言为主，开发平台为VisualC+。每次实验前完成实验报告的实验目的、实验内容、实验原理、实验代码四部分并接受抽查，实验完成后完成实验结果、实验体会两部分，本次实验课结束前提交。3.实验步骤(1)预习教材与实验指导相关的算法理论及原理；(2)仿照教

2、材与实验指导提供的算法，利用VC+OpenGL进行实现；(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.实验具体方案实验预备知识OpenGL作为当前主流的图形API之一，它在一些场合具有比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是容易理解和学习的。如果你曾经接触过TC的graphics.h，你会发现，使用OpenGL作图甚至比TC更加简单；2）强大的可移植性：微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只用于Windows系统。而OpenGL不仅用于Window

3、s，还可以用于Unix/Linux等其它系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机（如：医疗用显示设备）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。OpenGL官方网站（英文）http:/www.opengl.org下面将对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。如下是学习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

4、有VisualC+，C+Builder，Dev-C+等，它们都是支持OpenGL的。但这里我们选择VisualC+作为学习OpenGL的实验环境。2安装GLUT工具包GLUT不是OpenGL所必须的，但它会给我们的学习带来一定的方便，推荐安装。Windows环境下的GLUT下载地址：（大小约为150k）http:/www.opengl.org/resources/libraries/glut/glutdlls37beta.zipWindows环境下安装GLUT的步骤：1）将下载的压缩包解开，将得到5个文件2）在“我的电脑”中搜索“gl.h”，并找到其所在文件夹（如果是VisualStudio2

5、005，则应该是其安装目录下面的“VCPlatformSDKincludegl文件夹”）。把解压得到的glut.h放到这个文件夹。3）把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹（如果是VisualStudio2005，则应该是其安装目录下面的“VClib”文件夹）。4）把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。（典型的位置为：C:WindowsSystem32）3建立一个OpenGL工程这里以VC为例：选择File-New-Project，然后选择Win32ConsoleApplication，选择一个名字

6、，然后按OK。在谈出的对话框左边点ApplicationSettings，找到Emptyproject并勾上，选择Finish。然后向该工程添加一个代码文件，取名为“OpenGL.cpp”。实验1像素点的生成1实验目的：熟悉编程环境；了解光栅图形显示器的特点；了解计算机绘图的特点；利用VC+OpenGL作为开发平台设计程序，以能够在屏幕上生成任意一个像素点为本实验的结束。2实验内容：（1）了解和使用VC的开发环境，理解简单的OpenGL程序结构。（2）掌握OpenGL提供的基本图形函数，尤其是生成点的函数。3实验原理：（1）基本语法常用的程序设计语言，如C、C+、Pascal、Fortran和

7、Java等，都支持OpenGL的开发。这里只讨论C版本下OpenGL的语法。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

8、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。在gl.h文件中可以看到以下定义：typedeffloatGLfloat;typedefvoidGLvoid;一些基本的数据类型都有类似的定义项。（2）程序的基本结构OpenGL程序的基本结构可分为三个部分：第一部分是初始化部分。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)

9、，深度检验，裁剪等等。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（以象素表示）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

10、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，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、光照处理等等。以上三个部分是OpenGL程序的基本框架，即使移植到使用MFC的Windows程序中，也是如此。只是由于Windows自身有一套显示方式，需要进行一些必要的改动以协调这两种不同显示方式。（3）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，绘制的每个象素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其它颜色

11、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等。许多状态变量可以通过glEnable()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度检测等；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。通常情况下，可以用下列四个函数来获取某个状态变量的值：glGetBooleanv()、glGetDouble()、glGetFloatv()和glGetIntegerv()。究竟选择哪个函数应该根据所要获得的返回值的数据类型来决定。还有些状态变量有特殊的查询函数，如glGetLigh

12、t*()、glGetError()和glPolygonStipple()等。另外，使用glPushAttrib()和glPopAttrib()函数，可以存储和恢复最近的状态变量的值。只要有可能，都应该使用这些函数，因为它们比其它查询函数的效率更高。4实验代码：一个简单的OpenGL程序如下：（注意，如果需要编译并运行，需要正确安装GLUT，安装方法如预备知识中所述）该程序的作用是在一个黑色的窗口中央画一个矩形、三角形和三个点。下面对各行语句进行说明：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

13、必再次包含；然后看main函数。intmain(intargc,char*argv)，这个是带命令行参数的main函数。注意main函数中的各语句，除了最后的return之外，其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数，下面对用到的几个函数进行介绍；1）glutInit，对GLUT进行初始化，这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较固定，一般都是glutInit(&argc,argv)就行；2)glutInitDisplayMode，设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的还有GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）。

14、GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的还有GLUT_DOUBLE（使用双缓冲）。更多信息，以后的实验教程会有讲解介绍；3)glutInitWindowPosition，设置窗口在屏幕中的位置；4)glutInitWindowSize，设置窗口的大小；5)glutCreateWindow，根据前述设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意：窗口被创建后，并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口；6)glutDisplayFunc，设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用。（暂且这样理解）；7)glutMainLoop，进行一个消息循环。（现在只

15、需知道这个函数可以显示窗口，并且等待窗口关闭后才会返回。）在glutDisplayFunc函数中，我们设置了“当需要画图时，请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay中的三个函数调用，发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数，下面对用到的函数进行介绍：1)glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)：将清空颜色设为黑色（为什么会有四个参数？）；2)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)：将窗口的背景设置为当前清空颜色；3)glRectf，画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个

16、点的横、纵坐标；4)glFlush，保证前面的OpenGL命令立即执行（而不是让它们在缓冲区中等待）。5.思考题如图所示，根据示范程序，能否在原有结果基础上添加三条直线组成三角形？实验2直线生成算法的实现1实验目的：理解基本图形元素光栅化的基本原理，掌握一种基本图形元素光栅化算法，利用OpenGL实现直线光栅化的DDA算法。2实验内容：（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；（2）指出示范程序采用的算法，以此为基础将其改造为中点线算法或Bresenham算法，写入实验报告；（3）根据示范代码，将其改造为圆的光栅化算法，写入实验报告；（4）了解和使用OpenGL

17、的生成直线的命令，来验证程序运行结果。3实验原理：示范代码原理参见教材直线光栅化一节中的DDA算法。下面介绍下OpenGL画线的一些基础知识和glutReshapeFunc()函数。（1）数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。同时，OpenGL的直线必须是有限长度，而不是像数学概念那样是无限的。可以认为，OpenGL的“直线”概念与数学上的“线段”接近，它可以由两个端点来确定。这里的线由一系列顶点顺次连结而成，有闭合和不闭合两种。前面的实验已经知道如何绘“点”，那么OpenGL是如何知道拿这些顶点来做什么呢？是一个一个的画出来，还是连成线？或者构成一个多边形？或是做其它事情呢

18、？为了解决这一问题，OpenGL要求：指定顶点的命令必须包含在glBegin函数之后，glEnd函数之前（否则指定的顶点将被忽略），并由glBegin来指明如何使用这些点。例如：glBegin(GL_POINTS);glVertex2f(0.0f,0.0f);glVertex2f(0.5f,0.0f);glEnd();则这两个点将分别被画出来。如果将GL_POINTS替换成GL_LINES，则两个点将被认为是直线的两个端点，OpenGL将会画出一条直线。还可以指定更多的顶点，然后画出更复杂的图形。另一方面，glBegin支持的方式除了GL_POINTS和GL_LINES，还有GL_LINE_S

19、TRIP，GL_LINE_LOOP，GL_TRIANGLES，GL_TRIANGLE_STRIP，GL_TRIANGLE_FAN等，每种方式的大致效果见下图：(2）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： 重新建立用作新渲染画布的矩形区域； 定义绘制物体时使用的坐标系。如：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

20、系，使左下角位置为（0，0），右上角为（w,h）。4实验代码：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。5思考题示范代码有个小错误，能否指出并改正？请将结果写入实验报告。实验3变换1实验目的：进一步掌握二维、三维变换的数学知识、变换原理、变换种类、变换方法；进一步理解采用齐次坐标进行二维、三维变换的必要性；利用OpenGL实现二维、三维图形变换。2实验内容：（1）掌握二维、三维变换的原理及数学公式；（2）利用OpenGL实现二维、三维图形变换，在屏幕上显示变换过程或变换结果。（3）掌握OpenGL常用的变换函数

21、。3实验原理：OpenGL的三个基本几何变换函数介绍如下：（1） 平移变换平移变换函数如下：voidglTranslatefd(TYPEx,TYPEy,TYPEz);三个函数参数就是目标分别沿三个轴向平移的偏移量。这个函数表示用这三个偏移量生成的矩阵乘以当前矩阵。当参数是(0.0,0.0,0.0)时，表示对函数glTranslate*()的操作是单位矩阵，也就是对物体没有影响。（2）旋转变换旋转变换函数如下：voidglRotatefd(TYPEangle,TYPEx,TYPEy,TYPEz);函数中第一个参数是表示目标沿从点(x,y,z)到原点的方向逆时针旋转的角度，后三个参数是旋转的方向点

22、坐标。这个函数表示用这四个参数生成的矩阵乘以当前矩阵。当角度参数是0.0时，表示对物体没有影响。（3）比例变换比例变换函数如下：voidglScalefd(TYPEx,TYPEy,TYPEz);三个函数参数值就是目标分别沿三个轴向缩放的比例因子。这个函数表示用这三个比例因子生成的矩阵乘以当前矩阵。这个函数能完成沿相应的轴对目标进行拉伸、压缩和反射三项功能。当参数是(1.0,1.0,1.0)时，表示对函数glScale*()操作是单位矩阵，也就是对物体没有影响。当其中某个参数为负值时，表示将对目标进行相应轴的反射变换，且这个参数不为1.0，则还要进行相应轴的缩放变换。最好不要令三个参数值都为零，

23、这将导致目标沿三轴都缩为零。4实验代码：这个程序需要注意的地方有几点。使用了双缓存模式，程序在空闲时一直不停的调用display函数，这个函数绘制完图像后，改变旋转的角度，然后交换双缓存，这样，每画完一帧就交换，形成了动画。另外，使用了深度缓存，激活了深度测试，这样，被遮挡的面就不会显示，大家可以把激活深度缓存的一行去掉看看效果。大家还可以改变变换的方式，达到不同的效果。实验4裁剪1实验目的：了解二维图形裁剪的原理（点的裁剪、直线的裁剪、多边形的裁剪），利用VC+OpenGL实现直线的裁剪算法。2实验内容：（1）理解直线裁剪的原理（Cohen-Surtherland算法、梁友栋算法）（2）利用

24、VC+OpenGL实现直线的编码裁剪算法，在屏幕上用一个封闭矩形裁剪任意一条直线。（3）调试、编译、修改程序。（4）尝试实现梁友栋裁剪算法。3实验原理：编码裁剪算法的主要思想是：对于每条线段，分为三种情况处理。（1）若线段完全在窗口之内，则显示该线段，称为“取”；（2）若线段明显在窗口之外，则丢弃该线段，称为“弃”；（3）若线段既不满足“取”的条件，也不满足“舍”的条件，则把线段分割为两段。其中一段完全在窗口之外，可弃之；对另一段则重复上述处理。算法中，为了快速判断一条直线段与矩形窗口的位置关系，采用了如图所示的空间划分和编码方案。延长窗口的四条边界，把未经裁剪的图形区域分为九个区，每个区有一

25、个四位二进制的编码，从左到右各位依次表示上、下、右、左。例如，区号0101，左起第二位1表示该区在窗口的下方；右起第一位的1表示该区在窗口的左方。整个区号表示该区在窗口的左下方。裁剪一条线段时，先求出两端点所在的区号code1和code2，若code1=0且code2=0，则说明线段的两个端点均在窗口内，那么整条线段必在窗口内，应取之；若code1和code2经按位与运算的结果不为0，则说明两个端点同在窗口的上方、下方、左方或右方。这种情况下，对线段的处理是弃之。如果上述两种条件都不成立，则按第三种情况处理。求出线段与窗口某边的交点，在交点处把线段一分为二，其中必有一段完全在窗口外，可弃之，对

26、另一段则重复上述处理。4实验代码：5实验思考题请分别给出直线的三种不同位置情况，测试实验代码是否存在问题，有的话请调试改正。可能的话，可以尝试实现梁友栋裁剪算法。实验5Bezier曲线1实验目的：了解曲线的生成原理，掌握几种常见的曲线生成算法，利用VC+OpenGL实现Bezier曲线生成算法。2实验内容：（1）结合示范代码了解曲线生成原理与算法实现，尤其是Bezier曲线；（2）调试、编译、修改示范程序。3实验原理：Bezier曲线是通过一组多边形折线的顶点来定义的。如果折线的顶点固定不变，则由其定义的Bezier曲线是唯一的。在折线的各顶点中，只有第一点和最后一点在曲线上且作为曲线的起始处

27、和终止处，其他的点用于控制曲线的形状及阶次。曲线的形状趋向于多边形折线的形状，要修改曲线，只要修改折线的各顶点就可以了。因此，多边形折线又称Bezier曲线的控制多边形，其顶点称为控制点。三次多项式，有四个控制点，其数学表示如下：其矩阵形式为4实验代码：5实验思考题尝试实现B样条曲线算法。实验6简单光照明模型实现1实验目的：了解简单光照明模型的基本原理，利用VC+OpenGL实现物体的真实感图形。2实验内容：（1）结合示范代码了解简单光照明模型的基本原理与实现；（2）调试、编译、修改示范程序，给出不同光照系数，观察验证显示效果。（3）尝试实现圆锥体的光照效果。3实验原理：Phong光照明模型是

28、由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和，即其中R，V，N为单位矢量；Ip为点光源发出的入射光强；Ia为环境光的漫反射光强；Ka环境光的漫反射系数；Kd漫反射系数取决于表面的材料；Ks镜面反射系数；n幂次，用以模拟反射光的空间分布，表面越光滑，n越大。在用Phong模型进行真实感图形计算时，对物体表面上的每个点P，均需计算光线的反射方向R，再由V计算。为减少计算量，我们可以作如下假设：a)光源在无穷远处,即光线方向L为常数；b)视点在无穷远处，即视线方向V为常数；c)用近似。这里H为L和V的角平分向量，。在这种简化下，由于对所有的点总共只需计算一次H的值，节省了计算时间。结合RGB颜色模型，Phong光照明模型最终有如下的形式：本次实验中，光源在无穷远处，光线方向为单位向量L（0.5,0.5,0.707）,视点在无穷远处，视线方向V为（0，0，1）。4实验代码：5实验思考题尝试绘制一个圆锥体的简单光照效果。