图形学场景设计.docx
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图形学场景设计
计算机图形学课程设计报告
题目自然场景设计
院（系、部）
专业班级
学号
姓名
成绩
1设计目的与要求
1.1设计题目
自然场景设计
1.2设计目的
以小组合作的方式绘制一个自然场景，给绘制的实体添加纹理光照效果，进一步巩固所学知识，提高团队合作能力
1.3设计要求
（1）采用真实感图形学技术设计一个自然场景
（2）模拟出水、云、山体等至少三种景物
（3）实现场景的漫游
（4）对设计出的图像进行光照处理
（5）将图片的纹理贴附到物体表面
2总体设计
2.1功能简介
创建一个900*600的Windows窗口，在窗口中显示冰箱、电灯、茶壶三个实体，根据电灯位置在地面上绘制个实体的投影；为茶壶添加纹理；利用键盘的方向键控制冰箱旋转，实现场景漫游
2.2功能模块图
2.3软件各模块功能介绍
2.3.1冰箱和茶壶的绘制
由四边形拼接出冰箱，通过平移旋转函数放置到指定位置，同时实现茶壶的绘制，在茶壶上添加纹理效果，通过平移旋转变换放置到冰箱上面
2.3.2顶灯的绘制
绘制出一个带灯罩的电灯，并且将光源放置在灯泡的位置
2.3.3设置光照
设置光照的各种参数，为场景添加光照效果，让实体具有立体效果
2.3.4纹理图片生成
用数组存储一幅自己设计的纹理图片，方便实体添加纹理效果时的调用
2.3.5影子生成
根据需求为场景中的实体添加阴影效果，使得场景效果更加逼真
2.3.6法向量设置
为场景设置法向量，确保实体在不同的角度都能被看到
3详细设计及关键代码
3.1光照模块详细设计
3.1.1光照设置功能
设置光照的各种参数，为场景添加光照效果，让实体具有立体效果
3.1.2光照设置设计
1>设置光照的初值包括：
环境光照强度、漫反射光照强度、镜面反射光照强度、光源位置
2>在实体绘制函数中开启光照效果
3.1.3具体代码实现
GLfloatambientLight[]={0.3f,0.3f,1.3f,1.0f};
GLfloatdiffuseLight[]={0.7f,0.7f,0.7f,1.0f};
GLfloatspecular[]={1.0f,1.0f,1.0f,1.0f};
GLfloatlightPos[]={346.0f,400.0f,-20.0f,0.0f};
GLfloatspecref[]={1.0f,1.0f,1.0f,1.0f};
voidlight（void）//光照函数
{
GLfloatpoints[3][3]={{-30.0f,-149.0f,-400.0f},
{-30.0f,-149.0f,-420.0f},
{40.0f,-149.0f,-420.0f}};
glEnable（GL_DEPTH_TEST）;
glMatrixMode（GL_PROJECTION）;
glFrontFace（GL_CCW）;//Counterclock-wisepolygonsfaceout
glEnable（GL_CULL_FACE）;
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_AMBIENT,ambientLight）;
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE,diffuseLight）;
glMaterialfv（GL_FRONT_AND_BACK,GL_SPECULAR,specular）;
glMaterialf（GL_FRONT_AND_BACK,GL_SHININESS,75）;
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,ambientLight）;
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,diffuseLight）;
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,specular）;
glLightfv（GL_LIGHT0,GL_POSITION,lightPos）;
glEnable（GL_LIGHT0）;
glEnable（GL_COLOR_MATERIAL）;
glColorMaterial（GL_FRONT,GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE）;
glMaterialfv（GL_FRONT,GL_SPECULAR,specref）;
glMateriali（GL_FRONT,GL_SHININESS,128）;
glClearColor（0.4f,0.3f,0.6f,1.0f）;
glDepthFunc（GL_LESS）;
glEnable（GL_AUTO_NORMAL）;
glEnable（GL_NORMALIZE）;
glFrontFace（GL_CW）;
}
3.1.4光照设置限制条件
光源位置设置必须在预先设置好的空间中
3.2纹理模块设置
3.2.1纹理设置模块功能
用数组存储一幅自己设计的纹理图片，通过设置对应坐标在指定的实体上添加纹理效果
3.2.2纹理添加模块设计
1>.利用三维数组存储纹理图片中每个点的颜色值，在给实体添加纹理时调用纹理图片生成函数，将三维数组中存储的纹理图案添加到实体上
2>.从文件中读取一张图片，按照需要将纹理图片添加到对应的实体上
3.2.3纹理添加模块数据结构描述
1>.所用数据结构为一个三维数组，用于存储纹理图片的每点颜色值
2>.文件存储纹理图片
3.2.4纹理添加模块具体实现代码
1>.纹理图片自己绘制
voidGet_Mandeldrot_image（void）//生成纹理图片
{
doublemin_a,max_a,min_b,max_b,step_a,step_b,a,b;
intn=64,x,y,k,t;//n=180foraJuliaset
floatscale=255.0/n,width=300,height=400;
for（x=0;x{
//b=min_b;
for（y=0;y{k=（x/80+2）%2;
t=（y/50+2）%2;
if（t==0&&k==0）
{
Mandelbrot_image[x][y][0]=255;
Mandelbrot_image[x][y][1]=255;
Mandelbrot_image[x][y][2]=0;
}
else
{
Mandelbrot_image[x][y][0]=255;
Mandelbrot_image[x][y][1]=0;
Mandelbrot_image[x][y][2]=255;
}
}
}
}
给实体添加纹理
glPushAttrib（GL_ALL_ATTRIB_BITS）;
glGenTextures（1,&Texture）;
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,Texture）;
glTexParameteri（GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_NEAREST）;
glTexParameteri（GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_NEAREST）;
glTexEnvi（GL_TEXTURE_ENV,GL_TEXTURE_ENV_MODE,GL_REPLACE）;
Get_Mandeldrot_image（）;
glTexImage2D（GL_TEXTURE_2D,0,GL_RGB,300,400,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,Mandelbrot_image）;
glEnable（GL_TEXTURE_2D）;
glMatrixMode（GL_TEXTURE）;
glMatrixMode（GL_MODELVIEW）;
glColor3f（1.0,1.0,0.00）;
//glRotatef（90,1.0f,0.0f,0.0f）;
glTranslated（0.0f,118.0f,-40.0f）;
glutSolidTeapot（15）;//绘制茶壶
glPopAttrib（）;
2>.纹理图片由文件读入
AUX_RGBImageRec*LoadBMP（char*Filename）//载入位图图象
{
FILE*File=NULL;//文件句柄
if（!
Filename）
{
returnNULL;
}
File=fopen（Filename,"abc"）;
if（File）
{
fclose（File）;
returnauxDIBImageLoadA（Filename）;
}
returnNULL;}
intLoadGLTextures（）
{
intStatus=FALSE;
AUX_RGBImageRec*TextureImage[1];
memset（TextureImage,0,sizeof（void*）*1）;
if（TextureImage[0]=LoadBMP（"menu.bmp"））
{
Status=TRUE;
glGenTextures（1,&texture[0]）;
glBindTexture（GL_TEXTURE_2D,texture[0]）;
//生成纹理
glTexImage2D（GL_TEXTURE_2D,0,3,TextureImage[0]->sizeX,
TextureImage[0]->sizeY,0,GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE,
TextureImage[0]->data）;
glTexParameteri
（GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_LINEAR）;//线形滤波
glTexParameteri
（GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_LINEAR）;//线形滤波
}
if（TextureImage[0]）{
if（TextureImage[0]->data）
{
free（TextureImage[0]->data）;}
free（TextureImage[0]）;
}
returnStatus;//返回Status
}
3.2.5纹理添加模块限制条件
纹理图片添加时应注意比例
3.3法向量设置模块
3.3.1法向量设置模块功能
为场景设置法向量，确保实体在不同的角度都能被看到
3.3.2法向量设置模块设计
首先用两个点算出一个向量，用同样的方法计算出另外一个向量，对求的的两个向量做笛卡尔积求出平面的法向量
3.3.2法向量设置模块数据结构
利用数组存储每个点的坐标值
3.3.4法向量设置模块具体实现代码
voidcalcNormal（floatv[3][3],floatout[3]）
{
floatv1[3],v2[3];
staticconstintx=0;
staticconstinty=1;
staticconstintz=2;
//Calculatetwovectorsfromthethreepoints
v1[x]=v[0][x]-v[1][x];
v1[y]=v[0][y]-v[1][y];
v1[z]=v[0][z]-v[1][z];
v2[x]=v[1][x]-v[2][x];
v2[y]=v[1][y]-v[2][y];
v2[z]=v[1][z]-v[2][z];
//Takethecrossproductofthetwovectorstoget
//thenormalvectorwhichwillbestoredinout
out[x]=v1[y]*v2[z]-v1[z]*v2[y];
out[y]=v1[z]*v2[x]-v1[x]*v2[z];
out[z]=v1[x]*v2[y]-v1[y]*v2[x];
//Normalizethevector（shortenlengthtoone）
ReduceToUnit（out）;
}
3.4影子生成模块详细设计
3.4.1影子生成模块功能
根据需求为场景中的实体添加阴影效果，使得场景效果更加逼真
3.4.2影子生成模块设计
将所需要添加阴影效果的实体与投影面做求交运算，得到一个边界，将这个区域填充为黑色实现阴影效果
3.4.3影子生成模块具体实现代码
voidDrawJet（BOOLbShadow）
{
floatnormal[3];//Storeageforcalculatedsurfacenormal
//NoseCone/////////////////////////////
//Setmaterialcolor,noteweonlyhavetosettoblack
//fortheshadowonce
if（!
bShadow）
glColor3ub（0,255,200）;
Else
设置填充颜色为黑色
glColor3ub（0,0,0）;
实体各点坐标
}
3.5顶灯绘制模块
3.5.1顶灯绘制模块功能
绘制出一个带灯罩的电灯，并且将光源放置在灯泡的位置
3.5.2顶灯绘制模块设计
1>.灯泡的绘制
调用OpenGL库函数glutSolidSphere（）绘制一个球并为其添加颜色
2>.灯罩绘制和电线绘制
调用OpenGl库函数glBegin（GL_QUADS）绘制一个独立填充四边形为其设置颜色，通过平移变换放置到合适位置，电线绘制与灯罩绘制方法类似
3.5.3顶灯绘制模块具体实现代码
voiddraw_lamp（）//绘制电灯
{
glColor3f（.0f,.0f,.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;//电线
glVertex3f（345,500,-200）;
glVertex3f（347,500,-200）;
glVertex3f（347,380,-200）;
glVertex3f（345,380,-200）;
glEnd（）;
glColor3f（.0f,1.0f,.0f）;//灯罩
//glBegin（GL_TRIANGLES）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（347,380,-200）;
glVertex3f（367,360,-200）;
glVertex3f（325,360,-200）;
glVertex3f（345,380,-200）;
glEnd（）;
glColor3f（2.0f,2.0f,.0f）;//灯泡
glTranslated（346.0f,362.0f,-200.0f）;
glScalef（0.4,0.4,0.4）;
glutSolidSphere（25.0f,10,10）;
}
3.5.4顶灯绘制模块限制条件
绘制实体时应该注意绘制的先后顺序，最先绘制的实体将遮挡后面绘制的实体
3.6冰箱和茶壶绘制模块
3.6.1冰箱茶壶绘制模块功能
由四边形拼接出冰箱，通过平移旋转函数放置到指定位置，同时实现茶壶的绘制，在茶壶上添加纹理效果，通过平移旋转变换放置到冰箱上面
3.6.2冰箱茶壶绘制模块设计
1>.冰箱绘制
调用OpenGL库函数glBegin（GL_QUADS）根据设计要求绘制独立填充四边形，由多个四边形组合成冰箱
2>.茶壶绘制
调用OpenGL库函数glutSolidTeapot（）;绘制一个茶壶，通过平移旋转变换放置到指定位置
3.6.3冰箱茶壶绘制模块具体实现代码
绘制冰箱
voiddraw_refrigerator（）//绘制冰箱
{
glPushMatrix（）;
glColor3f（0.0f,1.0f,0.0f）;
glTranslated（210.0f,230.0f,-40.0f）;
glScalef（0.6,0.6,0.6）;
glRotatef（yRot,0.0f,1.0f,0.0f）;
glutSolidTeapot（12）;//绘制茶壶
glPopMatrix（）;
glPushMatrix（）;
glColor3f（.0f,.0f,.0f）;
glBegin（GL_LINES）;
glVertex3f（210.0f,230.0f,-40.0f）;
glVertex3f（165,200,-50）;
glVertex3f（210.0f,230.0f,-40.0f）;
glVertex3f（215,200,-50）;
glVertex3f（210.0f,230.0f,-40.0f）;
glVertex3f（190,210,-90）;
glVertex3f（210.0f,230.0f,-40.0f）;
glVertex3f（240,210,-90）;
glEnd（）;
glColor3f（.0f,.0f,.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（165,100,-50）;
glVertex3f（165,102,-50）;
glVertex3f（215,102,-50）;
glVertex3f（215,100,-50）;
glEnd（）;
glColor3f（.0f,.0f,.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（165,130,-50）;
glVertex3f（165,132,-50）;
glVertex3f（215,132,-50）;
glVertex3f（215,130,-50）;
glEnd（）;
glColor3f（2.0f,2.0f,2.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（185,180,-50）;
glVertex3f（190,180,-50）;
glVertex3f（190,165,-50）;
glVertex3f（185,165,-50）;
glEnd（）;
glColor3f（0.5f,0.5f,1.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（165,30,-50）;
glVertex3f（165,200,-50）;
glVertex3f（215,200,-50）;
glVertex3f（215,30,-50）;
glEnd（）;
glColor3f（1.0f,1.0f,1.0f）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（165,200,-50）;
glVertex3f（190,210,-50）;
glVertex3f（240,210,-50）;
glVertex3f（215,200,-50）;
glEnd（）;
glBegin（GL_QUADS）;
glVertex3f（240,210,-50）;
glVertex3f（240,50,-50）;
glVertex3f（215,30,-50）;
glVertex3f（215,200,-50）;
glEnd（）;
glPopMatrix（）;
}
3.6.4冰箱茶壶绘制模块限制条件
绘制四边形时四个顶点的先后顺序需要根据法向量的方向设置
3.7场景顶视图
4程序生成界面图形
5参考文献
[1]杨钦，徐永安，翟红英.计算机图形学[M].北京：
清华大学出版社,2005,03
（1）:
70-173
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