计算机图形学课程设计.doc

《计算机图形学》实验报告

题目： 3D真实感场景绘制
姓名： 郭继杰
学号：
班级： 地信141
学院： 理学院
指导老师： 解山娟
日期： 2023年1月1日

一、 实验目的
结合一学期所学计算机图形学知识，基于专业背景，使用OpenGL绘制简朴的3D真实感图形场景。
二、 实验规定
应用光栅化算法、多边形裁剪计算以及消隐算法在场景绘制中，其中真实感场景绘制涉及颜色模型、纹理模型、雾化模型、运动模型以及环境光、漫反射、镜面反射等光照模型设立。
三、 实验小组及任务分工
小组成员
任务分工
金 城
纹理贴图，颜色模型，雾化模型
郭继杰
运动模型，光照模型
沈黎达
材料收集，代码整合
四、 实验内容
1.实验前期工作
前期工作通过小组成员充足讨论，资料收集，最终拟定小组实验模板为以下两幅场景。目的是实现一艘简朴3D帆船模型以及一辆3D小车模型

2.程序编译环境：Visual Studio 2023
3.光照模型建立过程
光照模型建立流程图:

3.1设立光照模型相应指数

3.2打开光源

光照模型设计过程有两点注意的是：
1、glShadeModel函数用于控制opengl中绘制指定两点间其他点颜色的过渡模式，参数一般为GL_SMOOTH、GL_FLAT，假如两点的颜色相同，使用两个参数效果相同，假如两点颜色不同，GL_SMOOTH会出现过渡效果，GL_FLAT 则只是以指定的某一点的单一色绘制其他所有点。

glShadeModel(GL_FLAT) 着色模式 glShadeModel(GL_SMOOTH)着色模式
可以看出GL_SMOOTH模式下颜色更加光滑）
2、需要使用光照模型时必须启用，glEnable(GL_LIGHTING)（启用灯源）、 glEnable(GL_LIGHT0)（启用光源），否则所有灯光效果都会无效。效果对比如下图所示。

（未启用灯光） （启用灯光）

（未启用灯光） （启用灯光）

4.颜色模型建立过程
1.设定多边形图形：OpenGL运用glBegin()函数画图形样式，里面的参数表达图形样式，这里以glBegin(GL_QUADS)为例，GL_QUADS表达绘制由四个顶点组成的一组单独的四边形。
2.设定颜色：OpenGL运用glColor3f(a，b，c)函数设立图形颜色，里面的参数表达设定颜色的颜色。
3.坐标设定：OpenGL运用glVertex3f(a,b,c)函数设立图形坐标，里面的参数表达坐标的位置。
以跑道颜色模型为例：

（未使用颜色模型）

（使用颜色模型）
5.雾化模型建立过程
雾是生活中比较常见的现象，有了雾化模型，场景会比较逼真。
1.建立过程及参数设定如下：

2.其中，设立雾气起始位置与结束位置可以使雾气浓度随运动模型变化。
3.效果对比

（未使用雾化） （使用雾化）
4.实验存在局限性之处，由于本实验的场景绘制不是特别接近真实感，所以雾化模型的效果不是很好。

6．运动模型建立过程
1. 本次实验的运动模型重要由键盘按键响应发生。
2. 设定键盘按键响应函数
void specialKeyBoard(int key,int x,int y)
在主函数入口设定设立当前窗口的特定键的回调函数
glutSpecialFunc(specialKeyBoard);

glTranslatef(0,0,0.1+delta_v);//表达将当前图形向x轴平移0，向y轴平移0，向z轴平移0.1+delta ,表达物体在这个坐标的时候开始绘制。

glutPostRedisplay();在图像绘制的所有操作之后，
要加入 glutPostRedisplay()函数来重绘图像。实现物体的移动

glRotatef(1,0,1,0); //，旋转角度函数，表达小车往（0,1,0）向量方向逆时针旋转1°
以上都是控制小车运动的函数，通过键盘响应来触发。

（向前运动） （旋转）

7．纹理贴图过程
①载入位图图像：
AUX_RGBImageRec *LoadBMP(CHAR *Filename) //载入位图图象
{
FILE *File=NULL; //文献句柄
if (!Filename) //保证文献名已提供
{
return NULL; //假如没提供，返回 NULL
}
File=fopen(Filename,"r"); //尝试打开文献
if (File) //判断文献是否存在？
{
fclose(File); //关闭句柄
return auxDIBImageLoadA(Filename); //载入位图并返回指针
}
return NULL; //假如载入失败，返回 NULL
}
②位图转化成纹理：
int LoadGLTextures() //载入位图(调用上面的代码)并转换成纹理
{
int Status= FALSE; //状态指示器
AUX_RGBImageRec *TextureImage[2]; //创建纹理的存储空间
memset(TextureImage,0,sizeof(void *)*1);//将指针设为 NULL

//载入位图，检查有无错误，假如位图没找到则退出
if ((TextureImage[0]=LoadBMP("Data/wenli.bmp"))&&(TextureImage[1]=LoadBMP("Data/wenli2.bmp")))
{
Status= TRUE; //将Status设为TRUE
glGenTextures(2, &texture[0]); //创建纹理
for(int loop=0;loop<2;loop++)
{
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texture[loop]);//绑定纹理
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);//设立滤波
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, TextureImage[loop]->sizeX, TextureImage[loop]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImage[loop]->data);//生成纹理
}
}
for (int loop=0; loop<2; loop++)
{
if (TextureImage[loop]!=NULL) //判断纹理是否存在
{
if (TextureImage[loop]->data!=NULL) //纹理图像是否存在
{
free(TextureImage[loop]->data); //释放纹理图像占用内存
}
free(TextureImage[loop]); //释放图像结构
}
}
return Status; //返回 Status
}
③调用纹理
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]); //选择纹理
glBegin(GL_QUADS); //开始绘制四边形
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 0.0f, 1.5f, 0.0f); // 纹理和四边形的右下
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 0.0f, 2.5f, 0.0f); // 纹理和四边形的右上
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f( 0.0f, 2.5f, 1.0f); // 纹理和四边形的左上
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f( 0.0f, 1.5f, 1.0f); // 纹理和四边形的左下
glEnd()
模型解读
（1）创建纹理图像：OpenGL规定纹理的高度和宽度都必须是2的n次方大小，只有满足这个条件，这个纹理图片才是有效的。一旦获取了像素值，我们就可以将这些数据传给OpenGL，让OpenGL生成一个纹理贴图：
①glGenTextures(2, &texture[0])：创建纹理对象
②glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texture[loop])：绑定纹理对象
③glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, TextureImage[loop]->sizeX, TextureImage[loop]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImage[loop]->data)：将Pixels数组中的像素值传给当前绑定的纹理对象，于是便创建了纹理。glTexImage函数的参数分别是纹理的类型，纹理的等级，每个像素的字节数，纹理图像的宽度和高度，边框大小，像素数据的格式，像素值的数据类型，像素数据。
（2）纹理滤镜：在纹理映射的过程中，假如图元的大小不等于纹理的大小，OpenGL便会对纹理进行缩放以适应图元的尺寸。我们可以通过设立纹理滤镜来决定OpenGL对某个纹理采用的放大、缩小的算法。调用glTexParameter来设立纹理滤镜。如：
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);//设立放大滤镜
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);//设立缩小滤镜
（3）纹理坐标：要使用当前的纹理绘制图元，我们必须在绘制每个顶点之前为该顶点指定纹理坐标。只需调用glTexCoord2d(s:Double;t:Double);函数即可。其中，s、t是对于2D纹理而言的s、t坐标。对于任何纹理，无论纹理的真正大小如何，其顶端（左上角）的纹理坐标恒为(0,0),右下角的纹理坐标恒为(1,1)。也就是说，纹理坐标应是一个介于0到1之间的一个小数。
纹理贴图前后对比效果见图5。

纹理贴图前 纹理贴图后

五、 成果展示
本次实验将两个模型进行改造，实现了一辆简朴的小车以及一艘简朴的帆船。

（小车模型）

（帆船模型）
六、 心得体会
计算机图形学自身是一门理论与实践都比较复杂的学科，从最开始二维图形的实现，到最后三维真实感场景的实现，都不是一个简朴的过程，好的真实感场景实现需要多个模型的互相融合，在实验设计过程中，难免碰到困难，下面是本次实验总结出来的感受。
1. glEnable( )启动函数，无论是构造什么样的模型，都需要由这个函数来启动，如光照模型需要glEnable(GL_LIGHTING)，纹理贴图需要glEnable
(GL_TEXTURE_2D);没有启动函数的作用，效果都是不也许是实现的。

2. glPushMatrix()和glPopMatrix()函数的使用，这两个函数在OpenGL中是模型视图矩阵堆栈，分别是压栈和出栈函数，防止坐标不稳定移动。拟定每个模型都绘制在预期的位置。
以本次实验中小车模型画车轮为例：

这个函数中使用了堆栈的函数，为了使轮胎往预期的方向移动，否则，轮胎移动的效果会变成规则的向不同地方跳动，显的不切合实际。

3.最后，个人感觉OpenGL场景的实现最重要的是函数的调用以及流程控制运用。函数的重要性不言而喻。假如可以充足吸取模型中各类函数的用法，实现一个场景就不会那么困难，流程控制就是应当想好模型设计的顺序问题，顺序问题一旦解决，运用到程序中，思绪清楚就会便于成功。

七、源代码实例
1.小车模型：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#pragma comment( lib, "opengl32.lib")
#pragma comment( lib, "glu32.lib")
#pragma comment( lib, "glaux.lib")

float delta_v=0.0;
float r=1.0,g=1.0,b=0.0;
float r1=0.0,g1=0.0,b1=0.0;
float P[16];
float M[16];
static GLfloat xRot = 0.0f;
static GLfloat yRot = 0.0f;
static float elbow = 0 ,z=0;

//光线及材质的定义
GLfloat global_ambient[]={0.1,0.1,0.1,0.1}; //总体环境光设立
GLfloat light_ambient[]={0.0, 0.0, 0.0, 1.0}; //环境光，通常定义在光源中
GLfloat light_diffuse[]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; //漫反射光（Diffuse Light）
GLfloat light_specular[]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; //和镜面反射光（Specular Light）。
GLfloat light_position[]={20.0, 20.0, 20.0, 0.0}; //光源位置
GLfloat mat_specular1[]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; //镜面反射光材质材质
GLfloat mat_diffuse1[]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; //漫反射光材质
GLfloat mat_ambient1[]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; //环境光材质
GLfloat mat_shininess1={10.0}; //镜面反射指数

GLfloat vertices[] [3] ={{-0.7,0,1},{0.7,0,1},{0.7,0,-1},{-0.7,0,-1},{-0.5,1,0.8},{0.5,1,0.8},{0.5,1,-0.8}, {-0.5,1,-0.8}};
GLfloat fogcolor[]={0.5f,0.7f,0.5f,1.0f};

GLuint texture[2]; //存储2个纹理
AUX_RGBImageRec *LoadBMP(CHAR *Filename) //载入位图图象
{
FILE *File=NULL; //文献句柄
if (!Filename) //保证文献名已提供
{
return NULL; //假如没提供，返回 NULL
}
File=fopen(Filename,"r"); //尝试打开文献
if (File) //判断文献是否存在？
{
fclose(File); //关闭句柄
return auxDIBImageLoadA(Filename); //载入位图并返回指针
}
return NULL; //假如载入失败，返回 NULL
}

int LoadGLTextures() //载入位图(调用上面的代码)并转换成纹理
{
int Status= FALSE; //状态指示器
AUX_RGBImageRec *TextureImage[2]; //创建纹理的存储空间
memset(TextureImage,0,sizeof(void *)*1);//将指针设为 NULL

//载入位图，检查有无错误，假如位图没找到则退出
if ((TextureImage[0]=LoadBMP("Data/wenli.bmp"))&&(TextureImage[1]=LoadBMP("Data/wenli2.bmp")))
{
Status= TRUE; //将Status设为TRUE
glGenTextures(2, &texture[0]); //创建纹理
for(int loop0;loop<2;loop++)
{
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texture[loop]);//绑定纹理
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR);//设立滤波模式
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, TextureImage[loop]->sizeX, TextureImage[loop]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImage[loop]->data);//生成纹理
}
}

for (int loop=0; loop<2; loop++)
{
if (TextureImage[loop]!=NULL) //判断纹理是否存在
{
if (TextureImage[loop]->data!=NULL) //纹理图像是否存在
{
free(TextureImage[loop]->data); //释放纹理图像占用内存
}
free(TextureImage[loop]); //释放图像结构
}
}
return Status; //返回 Status
}

void menu(int id) //设立一个右键菜单功能
{
switch(id)
{
case (1):
exit(0);
break;
}
glutPostRedisplay();
}

void color_car_body_menu(int id)//车身颜色变化菜单
{

switch(id)
{

case(1):
r=1.0;g=0.0;b=0.0;
break;

case(2):
r=0.0;g=1.0;b=0.0;
break;

case(3):
r=0.0;g=0.0;b=1.0;
break;

case(4):
r=0.9;g=0.1;b=0.6;
break;

case(5):
r=0.7;g=0.5;b=0.1;
break;

case(6):

r=1.0;g=0.0;b=0.0;
break;
}
glutPostRedisplay();

}

void color_car_wheel_menu(int id)//车轮颜色变化菜单
{

switch(id)
{

case(1):
r1=0.0;g1=0.5;b1=1.0;
break;

case(2):
r1=0.7;g1=0.8;b1=0.4;
break;

case(3):
r1=0.7;g1=0.0;b1=0.0;
break;

case(4):
r1=0.9;g1=0.1;b1=0.6;
break;

case(5):
r1=0.7;g1=0.5;b1=0.1;
break;

case(6):
r1=0.7;g1=1.0;b1=0.6;
break;
}
glutPostRedisplay();

}

//定义跑道
void runway()
{
glBegin(GL_QUADS); //　GL_QUADS：绘制由四个顶点组成的一组单独的四边形。
//顶点4n－3、4n－2、4n－1和4n定义了第n个四边形。总共绘制N/4个四边形
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f); //设定跑到颜色
glVertex3f(-3.0f, -0.3f, 100.0f); //设定跑道坐标
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f( -0.8f, -0.3f, 100.0f);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f( -0.8f,-0.3f, -100.0f);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f(-3.0f,-0.3f, -100.0f);
glEnd();

glBegin(GL_QUADS);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f(0.8f, -0.3f, 100.0f);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f( 3.0f, -0.3f 100.0f);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f( 3.0f,-0.3f, -100.0f);
glColor3f(0.0f,0.8f,0.0f);
glVertex3f(0.8f,-0.3f, -100.0f);
glEnd();

glBegin(GL_QUADS); //跑道样式
glColor3f(0.9f,1.0f,0.9f); //跑道颜色
glVertex3f(-0.8f,-0.3f, 100.0f); //跑道坐标
glColor3f(0.9f,1.0f,0.9f);
glVertex3f( 0.8f, -0.3f, 100.0f);
glColor3f(0.9f,1.0f,0.9f);
glVertex3f( 0.8f,-0.3f, -100.0f);
glColor3f(0.9f,1.0f,0.9f);
glVertex3f(-0.8f,-0.3f, -100.0f);
glEnd();
}

//画车身
void quad(int a,int b, int c, int d)
{
glBegin(GL_QUADS); //GL_QUADS：绘制由四个顶点组成的一组单独的四边形。顶点4n－3、4n－2、4n－1和4n定义了第n个四边形。总共绘制N/4个四边形
glVertex3fv(vertices[a]);
glVertex3fv(vertices[b]);
glVertex3fv(vertices[c]);
glVertex3fv(vertices[d]);
glEnd();
}

void car_body()
{
glColor3f(1.0,0.0,0.0); //颜色模型函数
glColor3f(r,g,b); //设定初始颜色
glNormal3f(0.0f, -1.0f, 0.0f); //buttom，设立当前法线数组 ,指定新的当前法线的x, y, z坐标。各个定点的法向量不同，所以在拟定顶点之前拟定法向量。

quad(0,1,2,3);

glNormal3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); //right
quad(1,2,6,5);
glNormal3f(0.0f, 0.0f, -1.0f); //back
quad(2,3,7,6);

glNormal3f(-1.0f, 0.0f, 0.0f); //left
quad(7,3,0,4);
glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f); //front
quad(0,1,5,4);
glNormal3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); //top
quad(4,5,6,7);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]); //选择纹理
glBegin(GL_QUADS);
//右面
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 0.0f, 1.5f, 0.0f); //纹理和四边形的右下
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 0.0f, 2.5f, 0.0f); //纹理和四边形的右上
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f( 0.0f, 2.5f, 1.0f);//纹理和四边形的左上
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f( 0.0f, 1.5f, 1.0f); //纹理和四边形的左下
glEnd();

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[1]); // 选择纹理
glBegin(GL_QUADS);

// 左面
glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-0.0f, 1.5f, 0.0f); // 纹理和四边形的左下
glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-0.0f, 1.5f, 1.0f); // 纹理和四边形的右下
glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-0.0f, 2.5f, 1.0f); // 纹理和四边形的右上
glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-0.0f, 2.5f, 0.0f); // 纹理和四边形的左上
glEnd();

glPopMatrix();
glPushMatrix();
glTranslatef (delta_v,0.0,z);
glRotatef ((GLfloat) delta_v, 0.0, 1.0, 0.0);
glTranslatef (0.0, 1.55, 0.0);
glColor3f(0.5,0.8,0.2);
glPushMatrix();
glScalef (0.05,1.9,0.05);
glutSolidCube(1.0);
glPopMatrix();
glPopMatrix();
}

//画车轮
void car_wheel()
{
GLUquadricObj *quadratic;
glColor3f(0.0,0.1,0.1);
glColor3f(r1,g1,b1);
glPushMatrix(); //压栈 //模型视图矩阵堆栈，OpenGL提供了相应的接口：glPushMatirx()和glPopMatrix() //压栈和堆栈，防止坐标不稳定移动。拟定每个模型都绘制在预期的位置，
quadratic=gluNewQuadric(); //创建二次曲面对象。gluNewQuadric

glTranslatef(0.2,0,0.7); //表达将当前图形向x轴平移0.2，向y轴平移0，向z轴平移0.7 ,表达物体在这个坐标的时候开始绘制
glRotatef(90.0,0,1.0,0); //沿着（90,0,0）方向向量逆时针旋转90°
glTranslatef(-0.2,0,-0.7);
gluCylinder(quadratic,0.25f,0.25f,0.2f,32,32); //画圆柱体（轮胎）这是绘制柱面的函数
glTranslatef(0.0,0,0.8);
gluCylinder(quadratic,0.25f,0.25f,0.2f,32,32);
glTranslatef(2.0,0,0.8);
gluCylinder(quadratic,0.25f,0.25f,0.2f,32,32);
glTranslatef(0,0,0.8);
gluCylinder(quadratic,0.25f,0.25f,0.2f,32,32);

glPopMatrix();//出栈
}

void car()
{

car_body();
car_wheel();
LoadGLTextures();
}

void mydisplay()
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); //清除颜色缓存
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,global_ambient); // 总体光源
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular1); //指定镜面反射光的材质属性
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient1); //指定环境反射光的材质属性
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse1); //指定漫反射光的材质属性
glMaterialf(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess1); //设立镜面反射指数
//glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);

glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, P); //矩阵视图，得到模型移动之后的坐标。。不太拟定
glPushMatrix();
glLoadMatrixf(M); //把当前矩阵的16个值设立为m指定的值
runway();
glPopMatrix();

glLoadMatrixf(P); //把当前矩阵的16个值设立为m指定的值
car();
glutSwapBuffers(); //glutSwapBuffers函数是OpenGL中G