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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 20233.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 NULLFile=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 *TextureImage2; /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 (TextureImage0=LoadBMP(Data/wenli.bmp)&(TextureImage1=LoadBMP(Data/wenli2.bmp) Status= TRUE; /将Status设为TRUE glGenTextures(2, &texture0); /创建纹理 for(int loop=0;loopsizeX, TextureImageloop-sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImageloop-data);/生成纹理 for (int loop=0; loopdata!=NULL) /纹理图像是否存在free(TextureImageloop-data); /释放纹理图像占用内存free(TextureImageloop); /释放图像结构return Status; /返回 Status调用纹理glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0); /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：glGenTextures(2, &texture0)：创建纹理对象glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,textureloop)：绑定纹理对象glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, TextureImageloop-sizeX, TextureImageloop-sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImageloop-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 P16;float M16;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 texture2; /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 NULLFile=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 NULLint 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 *TextureImage2; /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 (TextureImage0=LoadBMP(Data/wenli.bmp)&(TextureImage1=LoadBMP(Data/wenli2.bmp) Status= TRUE; /将Status设为TRUE glGenTextures(2, &texture0); /创建纹理 for(int loop=0;loopsizeX, TextureImageloop-sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImageloop-data);/生成纹理 for (int loop=0; loopdata!=NULL) /纹理图像是否存在free(TextureImageloop-data);/释放纹理图像占用内存free(TextureImageloop); /释放图像结构return Status; /返回 Statusvoid 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4n3、4n2、4n1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4n3、4n2、4n1和4n定义了第n个四边形。总共绘制N/4个四边形 glVertex3fv(verticesa); glVertex3fv(verticesb); glVertex3fv(verticesc); glVertex3fv(verticesd);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); /rightquad(1,2,6,5);glNormal3f(0.0f, 0.0f, -1.0f); /backquad(2,3,7,6);glNormal3f(-1.0f, 0.0f, 0.0f); /leftquad(7,3,0,4);glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f); /frontquad(0,1,5,4);glNormal3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); /topquad(4,5,6,7); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0); /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, texture1); / 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