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1、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Visual C+。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

2、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Open

3、GL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Visual C+， C+Builder，Dev-C+等，它们都支持OpenGL。 这里选择Visual C+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

4、路径一般为：C:WindowsSystem32）。2）打开VC，在VC中选择ToolsOptionsDirectories，然后在Show directories for中选择Include files，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Show directories for中选择library files，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FileNewProject，然后选择Win32 Console Application, 选择一个名字，然后按

5、“OK”。在弹出的对话框中点An empty project，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

6、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（）、glCo

7、lor3d（）、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

8、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void glViewport(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void glOrtho(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void gluPerspective(fovy, aspect, zNear, zFar) 设置投影

9、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()、glDis

10、able()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void myinit (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

11、明暗处理/用户的绘图过程void display(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);

12、 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int main(int argc, 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（“

13、”）； /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.libglu32.libglut32.libopengl32.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GLU

14、T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(UINT State)、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(UINT State)可以设定如下状态：GL_POINTS 画点GL_LINES 画线，

15、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); . .glEn

16、d();. . 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。void display(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)

17、; /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(); /

18、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# includevoid LineDDA(int x0, int y0, int x1, int y1) int x, dy, dx, y; float m; 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; void myDisplay(void)

19、 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

20、); glVertex2f(180.0f,240.0f); glEnd(); glFlush();void Init() glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); glShadeModel(GL_FLAT);void Reshape(int w, int h) glViewport(0,0,(GLsizei)w,(GLsizei)h); glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluOrtho2D(0.0,(GLdouble)w,0.0, (GLdouble)h);int main(int argc, char * ar

21、gv) glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_SINGLE); glutInitWindowPosition(100,100); glutInitWindowSize(400,400); glutCreateWindow(Hello World!); Init(); glutDisplayFunc(myDisplay); glutReshapeFunc(Reshape); glutMainLoop(); return 0;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

22、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：void Reshape(int w, int h)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

23、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：void LineDDA(int x0, int y0, int x1, int y1) float x, dy, dx, y; float m; dx = x1 - x0; dy = y1 - y0; m = dy / dx; y = y0; glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f); glPointS

24、ize(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；void Bresenhamline(int x0, int y0, int x1, int y1, int color) int x, y, dx, dy; float k, e; dx = x1 - x0, dy = y1 - y0, k = dy / dx; e = -0.5, x = x0, y = y0

25、; for (int i= 0; i = 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：void setRound(GLint xc, GLint yc, GLint N) for (int i = 0; i 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();