c用C语言设计实体光照模型课程设计报告.doc

计算机学院 《实体光照模型》课程设计报告
学号
2016-2017学年 第2学期
1608220203

《实体光照模型课程名称》

课程设计报告

题目：
用C语言设计实体光照模型
专业：
网络工程（对口）
班级：
16（3）
姓名：
聂代应豪
指导教师：
代美丽
成绩：

计算机学院
2017年4月25日
目录
课程设计题目：实体光照模型
一 需求分析 2
二 总体设计 2
三 详细设计 3
四 源代码 11
一 需求分析

如对长方体，建立一个点光源，采用环境光和点光源漫反射光的光照模型，应用FLAT明暗处理方法，显示平行投影后的长方体光照效果。

二 总体设计

图形介绍
光照模型效果图
可见面
光照计算

可见面背光性判断
可见
面判断
表面
模型

三 详细设计
1、原理
光照模型是真实感图形技术的重要组成部分，它主要研究的是如何根据光学物理的有关定律，采用计算机来模拟自然界中光照明的物理过程。本文通过对光源特性和物体表面特性、局部光照模型和整体光照模型的具体分析，完成对光照模型的 系统阐述。
关键词：光源特性、局部光照模型、全局光照模型、真实感图形
2、详细分支
定义三维齐次坐标结构和面的结构；定义顶点表和面表，对长方体绕X轴旋转和绕Y轴旋转。
对每一个面计算其外法向量及可见性
对每个可见面计算其光线向量，并判断其是否为背光面。
计算每个见光面的环境光和点光源的漫反射分量。
用该面的光强显示该可见面
3、设计介绍
（1）旋转变换
绕X轴旋转变换的坐标表示
绕Y轴旋转变换的坐标表示
（2） 平行投影
在XOY平面投影后坐标
（3） 环境光模型
物体没有受到光源的直射,但其表面仍有一定亮度,这是由于环境光的作用。
表示环境光反射强度
表示环境光反射率
表示环境光入射强度
（4）漫反射光模型
漫反射光可认为是在点光源的照射下,光被物体表面吸收后,然后重新反射出来的光。
表示漫反射光强度
表示漫反射反射率
表示点光源入射强度大小
入射光与物体表面法矢量夹角
4、定义结构及分析
（1）定义三维齐次向量结构体
typedef struct Vector3D
{ float x;
float y;
float z;
int f; //f表示所在的平面的编号
VECTOR;
};
（2） 定义三维齐次坐标结构
typedef struct tagHOMOCOORD
{ float x;
float y;
float z;
float w;
HOMOCOORD;
};
(3)定义面的结构
typedef struct tagPLANE
{ int v0, v1, v2, v3;
VECTOR n; //外法向量
HOMOCOORD center; //中心点
float Id; //漫反射光强
int flag; //标识符
float kd; //漫反射率
float ka; //环境光反射率
float Ie; //环境光反射光强
float I; //光强
PLANE;
};

(4)定义点的结构
typedef struct tagMYPOINT
{ float x,y;
MYPOINT;
};
(5)长方体顶点定义及初始化
ptsnew HOMOCOORD[ptn]
{
pts[0].x 1; pts[0].y 2; pts[0].z 1; pts[0].w1;
pts[1].x -1; pts[1].y 2; pts[1].z 1; pts[1].w1;
pts[2].x -1; pts[2].y -2;pts[2].z 1; pts[2].w1;
pts[3].x 1; pts[3].y -2;pts[3].z 1; pts[3].w1;
pts[4].x 1; pts[4].y 2; pts[4].z -1; pts[4].w1;
pts[5].x -1; pts[5].y 2; pts[5].z -1; pts[5].w1;
pts[6].x -1; pts[6].y -2;pts[6].z -1; pts[6].w1;
pts[7].x 1; pts[7].y -2;pts[7].z -1; pts[7].w1;
};
(6)面表
fn6;
facesnew PLANE[fn];
faces[0].v00; faces[0].v11; faces[0].v22; faces[0].v33;
faces[1].v04; faces[1].v15; faces[1].v21; faces[1].v30;
faces[2].v05; faces[2].v16; faces[2].v22; faces[2].v31;
faces[3].v06; faces[3].v17; faces[3].v23; faces[3].v32;
faces[4].v07; faces[4].v14; faces[4].v20; faces[4].v33;
faces[5].v07; faces[5].v16; faces[5].v25; faces[5].v34;

(7)定义点光源、视线方向、光照方向
1、点光源
illuminant.x -100;
illuminant.y -100;
illuminant.z 100;
Ia 0.5; //环境光入射强度
Ip 0.5; //漫反射入射光强度
2、视线方向
VECTOR eye_vec;
eye_vec.x 0;
eye_vec.y 0;
eye_vec.z -1;
3、定义光照方向
light_vec new VECTOR[fn];
VECTOR vector[6][2] ;
fori0; i6; i++

vector[i][0] CalculateVectorpts[faces[i].v0], pts[ faces[i].v1], i ;
vector[i][1] CalculateVectorpts[faces[i].v0], pts[ faces[i].v2], i ;

（8）各面可见性计算和判断
1、计算各个面的外法向量
faces[0].n VecCrossvector[0][0], vector[0][1] ;
fori0; i6; i++

faces[i].n VecCrossvector[i][0], vector[i][1] ;

2、各个面的可见性判定
float cos_angle;
fori0; i6; i++

cos_angle
-1.0*InnerProductfaces[i].n, eye_vec/GetModulefaces[i].n*GetModuleeye_vec;
ifcos_angle0
faces[i].flag VISIABLE;
else
faces[i].flag UNVISIABLE;

3、计算各个面的中心点
fori0; ifn; i++

faces[i].center.x pts[faces[i].v0].x+pts[faces[i].v1].x+pts[faces[i].v2].x+pts[faces[i].v3].x/4.0f ;
faces[i].center.y pts[faces[i].v0].y+pts[faces[i].v1].y+pts[faces[i].v2].y+pts[faces[i].v3].y/4.0f ;
faces[i].center.z pts[faces[i].v0].z+pts[faces[i].v1].z+pts[faces[i].v2].z+pts[faces[i].v3].z/4.0f ;
faces[i].center.w pts[faces[i].v0].w+pts[faces[i].v1].w+pts[faces[i].v2].w+pts[faces[i].v3].w/4.0f ;

4、计算各个面的光照方向
fori0; ifn; i++

light_vec[i] CalculateVectorilluminant, faces[i].center, EOF;

5、计算各个面的漫反射光强
fori0; ifn; i++

faces[i].Id Ip*faces[i].kd*-1*InnerProductfaces[i].n, light_vec[i]/GetModulefaces[i].n*GetModulelight_vec[i];

6、计算各个面环境光反射光强
fori0; ifn; i++

faces[i].Ie faces[i].ka*Ia;

7、计算各个面光强(漫反射光强和环境反射光强之和)
fori0; ifn; i++

faces[i].I faces[i].Id+faces[i].Ie ;

//窗口-视区变换实现过程
float wxl-5,wxr5,wyb-5,wyt5;
int vxl0,vxr800,vyb0,vyt600;

（9）窗口-视区变换
int a intvxr-vxl/wxr-wxl;
int b intvxl-wxl*a;
int c intvyt-vyb/wyt-wyb;
int d intvyb-wyb*c;
fori0;iptn;i++

pts2D[i].x a*pts[i].x+b;
pts2D[i].y c*pts[i].y+d;

（10） 路径填充
CBrush Brush;Brush.CreateSolidBrushRGBfaces[j].I*255,faces[j].I*255,faces[j].I*255+40;
pd.SelectObject&Brush;
pd.BeginPath;
pd.MoveTop[0];
forint i1;i4;i++
pd.LineTop[i];
pd.LineTop[0];
pd.EndPath;
pd.FillPath;
Brush.DeleteObject;
四 源代码
Draw3DView.h文件
typedef struct Vector3D //定义三维齐次向量结构体
{ float x;
float y;
float z;
int f; //f表示所在的平面的编号
VECTOR;
};
typedef struct tagHOMOCOORD //定义三维齐次坐标结构

{ float x;
float y;
float z;
float w;
HOMOCOORD;
};
typedef struct tagPLANE //定义面的结构
{ int v0, v1, v2, v3;
VECTOR n; //外法向量
HOMOCOORD center; //中心点
float Id; //漫反射光强
int flag;
float kd; //漫反射率
float ka; //环境光反射率
float Ie; //环境光反射光强
float I; //光强
PLANE;
}
typedef struct tagMYPOINT //定义点的结构,需要浮点数的x,y
{ float x,y;
MYPOINT;
public:
VECTOR CalculateVectorHOMOCOORD start, HOMOCOORD end, int face;
//计算一个3维向量的函数,
//从start点指向end点的属于face面的向量
VECTOR VecCrossVECTOR vec1, VECTOR vec2;
//计算两个向量叉积,即外法向量
float InnerProductVECTOR vec1, VECTOR vec2;
//计算两个向量的内积
float GetModuleVECTOR vec; //计算向量的模
void RotateYint angle; //绕y轴逆时针旋转
void RotateXint angle; //绕x轴逆时针旋转
void DrawMy3DGraphics; //绘制长方体
virtual ~CDraw3DView;
protected:
HOMOCOORD illuminant; //定义光源坐标
float Ip; //定义光源光强
float Ia; //环境光光强
VECTOR *light_vec; //各个面的光照方向指针
HOMOCOORD *pts; //三维顶点指针
MYPOINT *pts2D; //自定义的二维浮点数结构,表示变换后的二维点
PLANE *faces; //长方体的面指针
int ptn,fn; //顶点个数与面的个数

Draw3DView.c文件
int x_angle 0;
int y_angle 0;
void CDraw3DView::DrawMy3DGraphics
int i;
//形体定义
ptn8;
ptsnew HOMOCOORD[ptn];
//设置长方体
pts[0].x1; pts[0].y2; pts[0].z1; pts[0].w1;
pts[1].x-1; pts[1].y2; pts[1].z1; pts[1].w1;
pts[2].x-1; pts[2].y-2; pts[2].z1; pts[2].w1;
pts[3].x1; pts[3].y-2; pts[3].z1; pts[3].w1;
pts[4].x1; pts[4].y2; pts[4].z-1; pts[4].w1;
pts[5].x-1; pts[5].y2; pts[5].z-1; pts[5].w1;
pts[6].x-1; pts[6].y-2; pts[6].z-1; pts[6].w1;
pts[7].x1; pts[7].y-2; pts[7].z-1; pts[7].w1; ///给定义面的指针分配内存;
fn6;
facesnew PLANE[fn];
//设置立方体各面
faces[0].v00; faces[0].v11; faces[0].v22; faces[0].v33;faces[1].v04; faces[1].v15; faces[1].v21; faces[1].v30;faces[2].v05; faces[2].v16; faces[2].v22; faces[2].v31;faces[3].v06; faces[3].v17; faces[3].v23; faces[3].v32;faces[4].v07; faces[4].v14; faces[4].v20; faces[4].v33;faces[5].v07; faces[5].v16; faces[5].v25; faces[5].v34;pts2Dnew MYPOINT[ptn];
fori0; ifn; i++
faces[i].ka 0.8;
faces[i].kd 0.8;
//定义点光源
illuminant.x -100;
illuminant.y -100;
illuminant.z 100;
Ia 0.5;
Ip 0.5;
//定义视线方向
VECTOR eye_vec;
eye_vec.x 0;
eye_vec.y 0;
eye_vec.z -1;
//定义光照方向
light_vec new VECTOR[fn];
//旋转调用
RotateXx_angle;RotateYy_angle;//定义并计算各个面的两条相交的向量
VECTOR vector[6][2] ;
fori0; i6; i++
vector[i][0] CalculateVectorpts[faces[i].v0], pts[ faces[i].v1], i ;
vector[i][1] CalculateVectorpts[faces[i].v0], pts[ faces[i].v2], i ;
//计算各个面的外法向量
faces[0].n VecCrossvector[0][0], vector[0][1] ;
fori0; i6; i++
faces[i].n VecCrossvector[i][0], vector[i][1] ;
//各个面的可见性判定
float cos_angle;
fori0; i6; i++
cos_angle -1.0*InnerProductfaces[i].n, eye_vec/GetModulefaces[i].n*GetModuleeye_vec;
ifcos_angle0
faces[i].flag VISIABLE;
else
faces[i].flag UNVISIABLE;
//计算各个面的中心点
fori0; ifn; i++
faces[i].center.x pts[faces[i].v0].x+pts[faces[i].v1].x+pts[faces[i].v2].x+pts[faces[i].v3].x/4.0f ;
faces[i].center.y pts[faces[i].v0].y+pts[faces[i].v1].y+pts[faces[i].v2].y+pts[faces[i].v3].y/4.0f ;
faces[i].center.z pts[faces[i].v0].z+pts[faces[i].v1].z+pts[faces[i].v2].z+pts[faces[i].v3].z/4.0f ;
faces[i].center.w pts[faces[i].v0].w+pts[faces[i].v1].w+pts[faces[i].v2].w+pts[faces[i].v3].w/4.0f ;
//计算各个面的光照方向
fori0; ifn; i++
light_vec[i] CalculateVectorilluminant, faces[i].center, EOF;
//计算各个面的漫反射光强
fori0; ifn; i++
faces[i].Id Ip*faces[i].kd*-1*InnerProductfaces[i].n, light_vec[i]/GetModulefaces[i].n*GetModulelight_vec[i];
//计算各个面环境光反射光强
fori0; ifn; i++
faces[i].Ie faces[i].ka*Ia;
//计算各个面光强
fori0; ifn; i++
faces[i].I faces[i].Id+faces[i].Ie ;
//平行投影变换
fori0;iptn;i++
pts[i].xpts[i].x;
pts[i].ypts[i].y;
// 窗口-视区变换
int a intvxr-vxl/wxr-wxl;
int b intvxl-wxl*a;
int c intvyt-vyb/wyt-wyb;
int d intvyb-wyb*c;
fori0;iptn;i++
pts2D[i].x a*pts[i].x+b;
pts2D[i].y c*pts[i].y+d;
///////////////////////////////////////////
//图形显示
CClientDC pdthis;
CPoint p[4];
forint j0; j6; j++
iffaces[j].flagVISIABLE
p[0]CPointpts2D[faces[j].v0].x,pts2D[faces[j].v0].y;
p[1]CPointpts2D[faces[j].v1].x,pts2D[faces[j].v1].y;
p[2]CPointpts2D[faces[j].v2].x,pts2D[faces[j].v2].y;
p[3]CPointpts2D[faces[j].v3].x,pts2D[faces[j].v3].y;
//dc.SelectObjectpOld; //把画笔设置为原来的
CBrush Brush;//DKGRAY_BRUSH,RGB64,64,64;
Brush.CreateSolidBrushRGBfaces[j].I*255,faces[j].I*255,faces[j].I*255+40;
pd.SelectObject&Brush;
pd.BeginPath;
pd.MoveTop[0];
forint i1;i4;i++
pd.LineTop[i];
pd.LineTop[0];
pd.EndPath;
pd.FillPath;
Brush.DeleteObject;
void CDraw3DView::RotateXint angle//绕x轴逆时针旋转
float aangle*PI/180;
forint i0;iptn;i++
float y,z;
ypts[i].y; zpts[i].z;
pts[i].yy*cosa-z*sina;
pts[i].zy*sina+z*cosa;
void CDraw3DView::RotateYint angle //绕y轴逆时针旋转
float bangle*PI/180;
forint i0;iptn;i++
float x,z;
xpts[i].x; zpts[i].z;
pts[i].xx*cosb+z*sinb;
pts[i].z-x*sinb+z*cosb;
VECTOR CDraw3DView::CalculateVectorHOMOCOORD start, HOMOCOORD end, int face
//计算一个3维向量的函数,从start点指向end点的属于face面的向量
VECTOR tempVector;
tempVector.x end.x-start.x;
tempVector.y end.y-start.y;
tempVector.z end.z-start.z;
tempVector.f face;
return tempVector;
VECTOR CDraw3DView::VecCrossVECTOR vec1, VECTOR vec2//计算两个向量叉积,即外法向量
VECTOR tempNVector;
tempNVector.x 1*vec1.y*vec2.z - vec2.y*vec1.z;
tempNVector.y -1*vec1.x*vec2.z-vec2.x*vec1.z;
tempNVector.z 1*vec1.x*vec2.y - vec2.x*vec1.y;
return tempNVector;
float CDraw3DView::InnerProductVECTOR vec1, VECTOR vec2//计算两个向量的内积
return vec1.x*vec2.x + vec1.y*vec2.y + vec1.z*vec2.z;
float CDraw3DView::GetModuleVECTOR vec//计算向量的模
return sqrtvec.x*vec.x+vec.y*vec.y+vec.z*vec.z;
void CDraw3DView::OnKeyLeft
// TODO: Add your command handler code here
y_angle--;
RedrawWindow;
void CDraw3DView::OnKeyUp
// TODO: Add your command handler code here
x_angle++;
RedrawWindow;
void CDraw3DView::OnKeyRight
// TODO: Add your command handler code here
y_angle++;
RedrawWindow;
void CDraw3DView::OnKeyDown
// TODO: Add your command handler code here
x_angle--;
RedrawWindow;

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