计算机图形学课程设计报告.docx
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计算机图形学课程设计报告
计算机图形学课程设计报告
组号：
第七组
小组成员：
宋洁
邵海军
谷文海
冯新科
学院：
资源环境学院
专业班级：
地科14-2
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1实习目的
课程设计是信息与计算科学专业集中实践性环节之一，是学习完《计算机图形学》课程后进行的一次全面的综合练习。
其目的是：
（1）要达到理论与实际应用相结合，使学生能够根据数据对象的特性，学会数据组织的方法，能把现实世界中的实际问题在计算机内部表示出来，并培养良好的程序设计技能。
（2）在实践中认识为什么要学习数据结构，掌握数据结构、程序设计语言、程序设计技术之间的关系，是前面所学知识的综合和回顾。
要求
（1）了解并掌握交互式图形系统的设计方法，具备初步的独立分析和设计能力；
（2）初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能；
（3）提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能；
（4）训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发，培养软件工作者所应具备的科学的工作方法和作风；
（5）培养学生团结协作，共同完成相关课题的能力。
2课程设计题目
人机交互系统三维图形处理及动画实现
题目要求及内容
要求
创建三维立体图形，通过创建菜单及键盘、鼠标事件实现对图形的人机交互式处理。
在理解直线、圆、区域填充、图形裁剪等理论知识的基础上，借助于程序设计语言VC++和OpenGL三维图形库进行小型图形应用软件或三维场景的开发。
本课程课程设计注重图形交互处理的主要实现，包括如下几部分：
三维立体图形人机交互的处理，主要内容包括以下几点：
（1）创建菜单及键盘事件实现对图形的基本处理；
（2）平移、缩放、旋转等计算机图形的几何变换；
（3）图形的裁剪；
（4）平面投影和透视投影；
（5）消隐和光照处理；
（6）动画的绘制及实现。
附：
二维图形的绘制
主要内容包括以下几点：
（1）点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元的的绘制；
（2）点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元属性的设置。
内容分析
定义三维齐次坐标结构和面的结构；定义各图形绕轴旋转的结构及各坐标轴的放缩结构；
定义各个光源的属性及材质表面的属性；
定义键盘输入及鼠标输入对应响应的事件；
定义各菜单对应执行的响应事件；
通过双缓存技术实现动画效果。
实习原理
人机交互
人机交互主要包括鼠标输入、键盘输入以及创建菜单执行对应的处理事件，其基本原理如下：
鼠标：
1）检测鼠标Clicks
GLUT为处理鼠标clicks事件提供了一个方法。
函数glutMouseFunc，这个函数一般在程序初始化阶段被调用。
函数原型如下：
voidglutMouseFunc（void（*func）（intbutton,intstate,intx,inty））;
参数：
func：
处理鼠标click事件的函数的函数名。
从上面可以看到到，处理鼠标click事件的函数，一定有4个参数。
第一个参数表明哪个鼠标键被按下或松开，这个变量可以是下面的三个值中的一个：
GLUT_LEFT_BUTTON
GLUT_MIDDLE_BUTTON
GLUT_RIGHT_BUTTON
第二个参数表明，函数被调用发生时，鼠标的状态，也就是是被按下，或松开，可能取值如下：
GLUT_DOWN
GLUT_UP
当函数被调用时，state的值是GLUT_DOWN，那么程序可能会假定将会有个GLUT_UP事件，甚至鼠标移动到窗口外面，也如此。
然而，如果程序调用glutMouseFunc传递NULL作为参数，那么GLUT将不会改变鼠标的状态。
剩下的两个参数（x,y）提供了鼠标当前的窗口坐标（以左上角为原点）。
2）检测动作（motion）
GLUT提供鼠标motion检测能力。
有两种GLUT处理的motion：
activemotion和passivemotion。
Activemotion是指鼠标移动并且有一个鼠标键被按下。
Passivemotion是指当鼠标移动时，并有没鼠标键按下。
如果一个程序正在追踪鼠标，那么鼠标移动期间，每一帧将产生一个结果。
GLUT让我们可以指定两个不同的函数，一个追踪passivemotion，另一个追踪activemotion。
它们的函数原型，如下：
voidglutMotionFunc（void（*func）（intx,inty））;
voidglutPassiveMotionFunc（void（*func）（intx,inty））;
参数：
Func：
处理各自类型motion的函数名。
处理motion的参数函数的参数（x,y）是鼠标在窗口的坐标。
以左上角为原点。
3）检测鼠标进入或离开窗口
GLUT还能检测鼠标鼠标离开，进入窗口区域。
一个回调函数可以被定义去处理这两个事件。
GLUT里，调用这个函数的是glutEntryFunc,函数原型如下：
voidglutEntryFunc（void（*func）（intstate））;
参数：
Func：
处理这些事件的函数名。
上面函数的参数中，state有两个值：
GLUT_LEFT
GLUT_ENTERED
表明，是离开，还是进入窗口。
键盘：
当你按下一个键后，GLUT提供了两个函数为这个键盘消息注册回调。
1）第一个是glutKeyboardFunc。
这个函数是告诉窗口系统，哪一个函数将会被调用来处理普通按键消息。
普通键是指字母，数字，和其他可以用ASCII代码表示的键。
函数原型如下：
voidglutKeyboardFunc（void（*func）（unsignedcharkey,intx,inty））;
参数：
func:
处理普通按键消息的函数的名称。
如果传递NULL，则表示GLUT忽略普通按键消息。
这个作为glutKeyboardFunc函数参数的函数需要有三个形参。
第一个表示按下的键的ASCII码，其余两个提供了，当键按下时当前的鼠标位置。
鼠标位置是相对于当前客户窗口的左上角而言的。
2）GLUT提供函数glutSpecialFunc以便当有特殊键按下的消息时，你能注册你的函数。
函数原型如下：
voidglutSpecialFunc（void（*func）（intkey,intx,inty））;
参数：
func:
处理特殊键按下消息的函数的名称。
传递NULL则表示GLUT忽略特殊键消息。
菜单：
弹出式菜单（像点鼠标右键出来的菜单那样的）也是GLUT的一部分，虽然它不能实现我们经常看到的windows系统弹出式菜单的所有的功能，但是它也有很大的作用。
给一个程序增加菜单提供了一个比键盘更简单的方法来和程序交互，选择不同选项，而不用去记那些按键。
1）创建菜单：
创建菜单函数glutCreateMenu的原型如下：
intglutCreateMenu（void（*func）（intvalue））；
参数：
func：
为新建的菜单处理菜单事件的函数名。
这个函数的返回值是菜单的标识符（menuidentifier）。
2）菜单增加条目：
出来个空菜单也没什么用，使用的函数是glutAddMenuEntry：
voidglutAddMenuEntry（char*name，intvalue）；
参数：
name：
菜单名称的字符串。
value：
当你选择菜单里的一项后，这个值就返回给上面的glutCreateMenu里调用的函数。
3）联接鼠标：
必须指定菜单怎么出现，使用GLUT你可以在按下一个鼠标按键后让菜单显示，函数是glutAttachMenu：
voidglutAttachMenu（intbutton）；
参数：
button:
一个整数，指定菜单和哪个鼠标键关联起来。
botton可以去下面的值;
GLUT_LEFT_BUTTON
GLUT_MIDDLE_BUTTON
GLUT_RIGHT_BUTTON
用glutAttachMenu来在鼠标和菜单间建立关联，但我们有时候需要断开这种关联。
完成这个工作的函数是glutDetachMenu。
函数原型如下：
voidglutDetachMenu（intbutton）；
参数：
button：
要断开的鼠标按键。
Button的取值和glutAttachMenu一样。
最后，如果你想恢复被菜单使用了的资源，我们可以销毁（destroy）它，相应的函数是glutDestroyMenu，它的原型如下：
voidglutDestroyMenu（intmenuIdentifier）；
参数：
menuIdentifier：
要销毁的菜单的标识符，它必须和函数glutCreateMenu返回的值相同。
4）子菜单的建立：
和我们前面用的建立菜单的函数一样。
建立菜单后我们把子菜单作为一个条目添加进去。
使用函数glutAddSubMenu来完成这项工作：
voidglutAddSubMenu（char*entryName，intmenuIndex）；
参数：
entryName：
子菜单名称。
menuIndex：
子菜单索引，这个就是我们调用glutCreateMenu来创建子菜单返回的值。
动画
计算机动画与实际的动画有些不同，实际的动画都是先画好，播放的时候直接显示出来，计算机动画则是一边画一边显示，通过双缓存技术将后台绘制好的图形与前台图形交换，这样循环反复，屏幕上便呈现出我们所看到的动画。
计算机实现动画主要启动双缓冲功能，在主函数里启用双缓冲：
glutInitDisplayMode（GLUT_RGB|GLUT_DOUBLE|GLUT_DEPTH）;
当每次绘制完成时，我们需要交换两个缓冲区，把绘制好的信息显示到屏幕。
为了完成这一工作，我们在绘图函数里调用glutSwapBuffers（）便很好的实现了动画前台与后台的光滑交换显示，达到了动画效果。
几何变换
二维几何图形变换
对于几何变换主要通过与变换矩阵的矩阵运算改变顶点坐标（用齐次坐标）来实现：
例如:
（1）放缩：
（2）旋转：
（3）
关于x轴对称：
（4）关于原点对称：
（5）沿X轴方向的错切变换：
三维几何图形变换:
三维几何图形变换原理同二维几何图形变换，只是采用的变换矩阵为4×4矩阵，空间点[xyz]采用四维齐次坐标[XYZ1]表示。
2、OpenGL环境下的几何变换
基本变换函数：
（1）平移矩阵构造函数为glTranslate（tx,ty,tz），作用是把当前矩阵和一个表示移动物体的矩阵相乘。
tx,ty，tz指定这个移动物体的矩阵，它们可以是任意的实数值，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double），对于二维应用来说，tz=。
（2）旋转矩阵构造函数为glRotate（theta,vx,vy,vz），作用是把当前矩阵和一个表示旋转物体的矩阵相乘。
theta,vx,vy,vz指定这个旋转物体的矩阵，物体将绕着（0,0,0）到（x,y,z）的直线以逆时针旋转，参数theta表示旋转的角度。
向量v=（vx,vy，vz）的分量可以是任意的实数值，该向量用于定义通过坐标原点的旋转轴的方向，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double），对于二维旋转来说，vx=，vy=，vz=。
（3）缩放矩阵构造函数为glScale（sx,sy,sz），作用是把当前矩阵和一个表示缩放物体的矩阵相乘。
sx,sy，sz指定这个缩放物体的矩阵，分别表示在x,y,z方向上的缩放比例，它们可以是任意的实数值，当缩放参数为负值时，该函数为反射矩阵，缩放相对于原点进行，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double）。
假设当前矩阵为单位矩阵，然后先乘以一个表示旋转的矩阵R，再乘以一个表示移动的矩阵T，最后得到的矩阵再乘上每一个顶点的坐标矩阵v。
那么，经过变换得到的顶点坐标就是（（RT）v）。
由于矩阵乘法满足结合率，（（RT）v）=R（Tv）），换句话说，实际上是先进行移动，然后进行旋转。
即：
实际变换的顺序与代码中写的顺序是相反的。
由于“先移动后旋转”和“先旋转后移动”得到的结果很可能不同，初学的时候需要特别注意这一点。
由于模型变换都通过矩阵运算来实现，在进行变换前，应先设置当前操作的矩阵为“模型视图矩阵”。
设置的方法是以GL_MODELVIEW为参数调用glMatrixMode函数，像这样：
glMatrixMode（GL_MODELVIEW）;
该语句指定一个4×4的建模矩阵作为当前矩阵。
通常，我们需要在进行变换前把当前矩阵设置为单位矩阵。
把当前矩阵设置为单位矩阵的函数为：
glLoadIdentity（）;
我们在进行矩阵操作时，有可能需要先保存某个矩阵，过一段时间再恢复它。
当我们需要保存时，调用glPushMatrix（）函数，它相当于把当前矩阵压入堆栈。
当需要恢复最近一次的保存时，调用glPopMatrix（）函数，它相当于从堆栈栈顶弹出一个矩阵为当前矩阵。
OpenGL规定堆栈的容量至少可以容纳32个矩阵，某些OpenGL实现中，堆栈的容量实际上超过了32个。
因此不必过于担心矩阵的容量问题。
通常，用这种先保存后恢复的措施，比先变换再逆变换要更方便，更快速。
注意：
模型视图矩阵和投影矩阵都有相应的堆栈。
使用glMatrixMode来指定当前操作的究竟是模型视图矩阵还是投影矩阵。
OpenGL环境下三维图形变换相关函数：
（1）glMatrixMode（GLenummode）//设置当前矩阵类型
（2）glLoadMatrix{fd}（constTYPE*m）//用指定的矩阵替换当前矩阵
（3）glLoadIdentity（void）//用单位矩阵替换当前矩阵
（4）glMultMatrix{fd}（constTYPE*m）//用当前矩阵去乘*m所指定的矩阵，并将结果存放与*m中
（5）glTranslate{fd}（TYPEx,TYPEy,TYPEz）//平移变换函数
（6）glRotate{fd}（TYPEangle,TYPEx,TYPEy,TYPEz）//旋转变换函数
（7）glScale{fd}（TYPEx,TYPEy,TYPEz）//缩放和反射变换函数
（8）glPushMatrix（void）;glPopMatrix（void）;//堆栈操作函数
3主要流程图
三维图形处理流程图
图3-1三维图形处理流程图
二维几何画板流程图
图3-2二维几何画板流程图
4主要源程序
主要源程序
程序主要由绘制图形、创建菜单、添加光照、几何变换及视点等基本功能组成，程序实现由以下几个基本图形绘制程序：
voidmyDisplay（void）
{
glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT）;
glPushMatrix（）;
glTranslated（0,0,-60）;
立方体（）;
球（）;
月亮（）;
路面（）;
仓库（）;
房子（）;
太阳（）;
行星（）;
天桥（）;
glPopMatrix（）;
glFlush（）;
glutSwapBuffers（）;
}
视点设置：
gluLookAt（-1,-1,1,-1,1,1,0,0,1）;//XOZ面
gluLookAt（-1,-1,1,-1,-1,0,0,1,0）;//XOY面
光照设置：
glEnable（GL_LIGHTING）;//启动光照
glDisable（GL_LIGHTING）;//关闭光照
注册鼠标事件：
glutMotionFunc（myMouseMotion_旋转）;
glutMotionFunc（myMouseMotion_移动）;
glutMouseFunc（myMouse_放大）;
glutMouseFunc（myMouse_缩小）;
主函数：
intmain（intargc,char*argv[]）
{
glutInit（&argc,argv）;
glutInitDisplayMode（GLUT_RGB|GLUT_DOUBLE|GLUT_DEPTH）;
glutInitWindowPosition（300,50）;
glutInitWindowSize（winWidth,winHeight）;
glutCreateWindow（"计算机图形处理课程设计——三维图形处理"）;
init（）;
init1（）;
glutDisplayFunc（&myDisplay）;
glutReshapeFunc（Reshape）;
createGLUTMenus（）;
glutKeyboardFunc（keyboard）;
glutIdleFunc（&myAnimate）;//设置全局空闲回调函数
glutMainLoop（）;
return0;
}
图4-1三维图形处理运行初始图形
键盘事件函数
voidkeyboard（unsignedcharkey,intx,inty）
{
switch（key）
{
case'y':
year=（year+1）%360;
if（year==2*（int）（acos/*180/PI））
year=-year;
glutPostRedisplay（）;break;
case'Y':
year=（year-1）%360;
if（year==-2*（int）（acos/*180/PI））
year=-year;
glutPostRedisplay（）;break;
default:
break;
}
}
图4-2键盘事件运行图
菜单
创建菜单函数
voidprocessMenuEvents（intoption）
{
switch（option）
{
case恢复:
glutMouseFunc（NULL）;
glutMotionFunc（NULL）;
glDisable（GL_LIGHTING）;
init1（）;break;
case旋转:
glutMouseFunc（NULL）;
glutMotionFunc（myMouseMotion_旋转）;break;
case移动:
glutMouseFunc（NULL）;
glutMotionFunc（myMouseMotion_移动）;break;
case启动光照:
glEnable（GL_LIGHTING）;break;
case关闭光照:
glDisable（GL_LIGHTING）;break;
case放大:
glutMotionFunc（NULL）;
glutMouseFunc（myMouse_放大）;break;
case缩小:
glutMotionFunc（NULL）;
glutMouseFunc（myMouse_缩小）;break;
caseXOZ面:
glLoadIdentity（）;
gluLookAt（-1,-1,1,-1,1,1,0,0,1）;break;
caseXOY面:
glLoadIdentity（）;
gluLookAt（-1,-1,1,-1,-1,0,0,1,0）;break;
default:
break;
}
}
voidcreateGLUTMenus（）
{
intmenu,submenu1,submenu2,submenu3;
submenu1=glutCreateMenu（processMenuEvents）;
glutAddMenuEntry（"启动光照",启动光照）;
glutAddMenuEntry（"关闭光照",关闭光照）;
submenu2=glutCreateMenu（processMenuEvents）;
glutAddMenuEntry（"旋转",旋转）;
glutAddMenuEntry（"移动",移动）;
glutAddMenuEntry（"放大",放大）;
glutAddMenuEntry（"缩小",缩小）;
submenu3=glutCreateMenu（processMenuEvents）;
glutAddMenuEntry（"XOZ面",XOZ面）;
glutAddMenuEntry（"XOY面",XOY面）;
menu=glutCreateMenu（processMenuEvents）;
glutAddSubMenu（"环境设置",submenu1）;
glutAddSubMenu（"几何变换",submenu2）;
glutAddSubMenu（"视图设置",submenu3）;
glutAddMenuEntry（"恢复",恢复）;
glutAttachMenu（GLUT_RIGHT_BUTTON）;
}
图4-3创建菜单运行图
光照函数
voidinit（）
{
GLfloatlight1_ambient[]={,,,};
GLfloatlight1_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight1_specular[]={,,,};
GLfloatlight1_position[]={,,,};
GLfloatlight2_ambient[]={,,,};
GLfloatlight2_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight2_specular[]={,,,};
GLfloatlight2_position[]={,,,};
GLfloatlight3_ambient[]={,,,};
GLfloatlight3_diffuse[]={,,,};
GLfloatlight3_specular[]={,,,};
GLfloatlight3_position[]={,,,};
GLfloatspot0_direction[]={,,};
GLfloatspot3_direction[]={,,};
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,light1_ambient）;
glLightfv（GL_LIGHT1,GL_DIFFU
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