图形学D图形渲染实验报告.docx

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图形学D图形渲染实验报告

图形学3D图形渲染实验报告

功能：

实现母线为Bezier曲线的旋转集合体，两个光源，基于扫描线z缓冲算法的3D图形渲染。

程序结构：

Csrgp类：

srgp类为一个二维光栅软件包，实现了基本的二维图形的绘制能力（点，直线，圆，多边形，扫描转换多边形）并实现了双缓冲技术（内存缓冲技术）。

在此基础上，添加了扫描线z缓冲算法的三维集合体的渲染。

Csrgp类声明如下：

public:

HDCm_hdc;

DWORDm_iColor;

POINTm_Oring;

HDCm_memHdc;

double**Z_Buf;

boolm_onMemery;

intm_Umin,m_Vmin,m_Eu,m_Ev;//设备坐标系视区

doublem_VCUmin,m_VCUmax,m_VCVmin,m_VCVmax;//观察坐标系uv平面窗口

doublem_Fdistance,m_Bdistance;//前后裁减面，在观察坐标系中指定

Vector3dm_VRP;//观察参考点

Vector3dm_VPN;//观察坐标系法向

Vector3dm_VUP;//观察正向

Vector3dm_PRP;//投影参考点，在观察坐标系中指定

Vector3dm_VrcU,m_VrcV,m_VrcN;//观察坐标系

intwidth;

inthigh;

doublem_Xmin,m_Ymin,m_Ex,m_Ey,m_a;//0-2//设备坐标系视区

Vector3dm_MatrixWindows2Device[3];

Vector4dm_MatrixWorldCoord2VRC[4];

Vector4dm_Npar[4];//平行投影视见体规范化变换

Vector4dm_Nper[4];//透视投影视见体规范化变换

Vector4dm_Npar2per[4];//透视投影到平行投影视见体

Vector4dm_FinalMatrix[4];//最终投影变换矩阵

Vector4dm_MatrixLocal2WorldCoord[4];//局部坐标系到世界坐标系变换

boolm_FinalMatrixInvalidly;

//////////////////////////////////

Vector3dL1,L2;//两个点光源位置,世界坐标系中

Vector3dIa;//环境光强

Vector3dI1;//点光源1强度

Vector3dI2;//点光源强度

doubleIc;//亮度控制

doubleC0,C1,C2;//衰减控制

doublem_maxI;//最大光强度

//////////////////////////

//Operations

public:

voidPutPixel（intx,inty）;

voidPutPixel（intx,inty,DWORDcolor）;

voidDrawOnMemery（boolonMemery=true）;

voidLineCoord（intx0,inty0,intx1,inty1）;

voidCirclePoints（intx,inty,intoffsetX,intoffsetY）;

voidCircleCoord（intoffsetX,intoffsetY,intradius）;

DWORDGetColor（）;

voidSetColor（DWORDcolor）;

voidDraw（）;

voidFillPolygon（constCPolygon&）;

voidLineCoord3D（Vector3d,Vector3d）;

voidDisplayParametricPolynomialCurve（Vector3dPG[],doubleM[MAX][MAX],intn,intcount）;

voidDisplayCubicHemiteCurve（Vector3dP[2],Vector3dPR[2],intcount）;

voidDisplayBezierCurve（Vector3dP[],intn,doubleDELTA）;

voidWindows2Device（Vector3dP）;

voidWorldCoord2VRC（Vector3dP）;

voidSetDeviceViewArea（intUmin,intVmin,intEu,intEv）;

voidSetWindow（doubleXmin,doubleYmin,doubleEx,doubleEy,doublea）;

voidSetVRC（Vector3dVRP,Vector3dVPN,Vector3dVUP）;

voidSetVRP（Vector3dVRP）;

voidSetVPN（Vector3dVPN）;

voidSetVUP（Vector3dVUP）;

voidSetViewCoordCwindow（doubleumin,doubleumax,doublevmin,doublevmax）;

voidSetCutPlane（doubleF,doublePB）;

voidSetPRP（Vector3dPRP）;

voidTransform（Vector3dP,Vector4dMatrix[]）;

voidStandardizeParallelProjectObject（Vector3dP）;

voidStandardizePerspectiveProjectObject（Vector3dP）;

voidStandardizePerspective2ParallelProjectObject（Vector3dP）;

voidParallelProject（Vector3dP）;

voidDrawEdge（CEdge&p）;

voidClean（）;

voidCaculateFinalMatrix（CSolid&s）;

voidDivideBezierCurve（std:

:

vector

:

pair>&ret,Vector3dP[],intn,doubleDELTA）;

voidRomance（CSolid&solid）;

voidInitializeBackGround（）;

voidInitializeZBuf（）;

#ifdef_DEBUG

voidCSrgp:

:

trace（CSolid&solid,

std:

:

vector&polygonSt,

std:

:

vector&edgeSt,

std:

:

listPolygonTable[SCANLINE]）;

#endif

private:

voidCreatET（constCPolygon&）;

intGetInt（double）;//取整规则

voidCalculateV（doubleC[3][MAX],intn,doublet,Vector3dnewV）;

voidBezierCurveSplitting（Vector3dP[],Vector3dQ[],Vector3dPR[],intn）;

doubleDistance（Vector3dP[],intn）;

voidCaculateMatrix3d（Vector3dp[],Vector3dQ[]）;

voidCaculateMatrix4d（Vector4dp[],Vector4dQ[]）;

voidCrossMultiply3d（Vector3dP,Vector3dQ）;

voidCaculateVRC（）;

voidCaculateMatrixWindows2Device（）;

voidCaculateMatrixWorldCoord2VRC（）;

voidCaculateNpar（）;//计算平行投影视见体规范化变换

voidCaculateNper（）;//计算透视投影视见体规范化变换

voidCreatPt（CSolid&solid,

std:

:

vector&polygonSt,

std:

:

vector&edgeSt,

std:

:

listPolygonTable[SCANLINE]）;

doubleAttenuate（doubledistance）;//光线衰减系数

public:

virtual~CSrgp（）;

CSolid类：

CSolid类实现了三维实体的边界表示法，能够将母线为Bezier曲线的旋转几何体由特征表示转换为边界表示，并配合CSrgp类实现3D实体的渲染。

CSolid类声明：

public:

intID;//体ID

CSrgp*srgp;

std:

:

dequevertex;//体的所有顶点

std:

:

vectoredge;

std:

:

vectorface;//体包含的面

Vector3dlocation[4];//局部坐标系在世界坐标系中的定位

intcountV,countE,countF;

//光照

doubleKa;//环境光反射系数

doubleKd;//漫反射系数

doubleKs;//镜面反射系数

intn;//镜面反射指数

Vector3dCd;//满反射系数颜色分解（Cd[R],Cd[G],Cd[B]）

Vector3dCs;//镜面反射系数颜色分解（Cs[R],Cs[G],Cs[B]）

voidsetLocation（Vector3dl[]）;

public:

#ifdef_DEBUG

voiddump（）;

#endif

CSolid（intid,CSrgp*s）;

CSolid（constCSolid&c）;

CSolid&operator=（constCSolid&c）;

CFace&InsertFace（intQ[],intn,boolisedge=1）;

CEdge&InsertEdge（CVertex&P,CVertex&Q）;

CVertex&InsertVertex（Vector3dP）;

voidDraw（）;

intDivideCircularity（Vector3dM）;

voidCreatRotateGeometry（Vector3dM[],intn）;

voidCreatBezierRotateGeometry（Vector3dP[],intn,doubleDELTA）;

voidRomance（）;

3D实体的边界表示：

数据结构：

体结构CSolid

面结构CFace

边结构CEdge

顶点结构CVertex

3D实体线框图效果

图表1两个实体线框图正面效果

图表2两个实体线框图侧面效果

3D实体的渲染：

基本原理：

采用扫描线z缓冲技术，应用Gouraud插值着色方法渲染。

数据机构：

多边形结构：

structPolygonStruct{

Vector4dfeq;//世界坐标系方程

intsort;

intVmax;//

intid;

std:

:

vectoredge;//所有边

std:

:

vectorET[SCANLINE];

};

边结构：

structEdgeStruct{

intVmax;

doubledeltaU;

doublen;

intu;

intsort;//类别

boolhorizon;

std:

:

vectorface;//所属面

Vector3dstart;

Vector3dend;

Vector3dsColor;

Vector3deColor;

intstartID;

intendID;

};

边对结构：

structPairEdge{

public:

PairEdge（EdgeStruct&,EdgeStruct&,PolygonStruct&,int）;

doubleUl;

doubledeltaUl;

intVlmax;

doubleUr;

doubledeltaUr;

intVrmax;

doubleNl;

doubledeltaNu;

doubledeltaNv;

intPi;

Vector3dIl;

Vector3dIr;

Vector3ddeltaIl;

Vector3ddeltaIr;

};

多边形分类表：

std:

:

listPolygonTable[SCANLINE];

活化多边形表

std:

:

listActivePolyList;//活化多边形表

/活化边对表

std:

:

listActivePairEdgeList;//活化边对表

算法：

扫描线z缓冲算法

颜色模型：

RGB颜色模型

渲染效果：

图表3两个实体的正面渲染效果（两个光源，分别位于坐上方和右上方）

图表4两个实体的侧面渲染效果（光源同上）

交互设计：

通过鼠标点击按钮改变观察点，观察原点，观察法向和观察窗口值。

设计可改变物体位置，但鉴于渲染效率低，没添加此功能。

（预留并实现了该函数，但是交互界面禁用了此功能）

图表5程序界面

缺陷：

由于程序开始设计较早，所以没能从整体把握程序的结构，在实体表示时数据结构的设计给后面的渲染带来了一定难度。

优点：

将造型和渲染分开的设计叫好的实现和功能的分割，是程序实现更加容易。

程序设计时考虑了交互的情况，所以在任何导致图形改变的参数被改变时，都能够容易的重绘图形，这是设计上的优点。

注：

本程序在ＶＣ＋＋６.0SP6　下调试通过。

若使用较低版本的编译器可能导致STL与MFC冲突。

权利：

作者授权中国人民大学信息学院将本程序及源代码用于教学。

作者：

中国人民大学信息学院

王占伟

July13,2007