3D游戏图形学实验一二.docx

数字图像处理实验指导书3D游戏图形学实验指导书马文娟浙江理工大学二一二 年 九 月2课程实验指导一、实验总体方案1. 教学目标与基本要求1）掌握本书所介绍的图形算法的原理。2）掌握通过具体的平台实现图形算法的方法，培养学生使用现代图形系统API的能力。3）通过实验培养具有开发一个基本图形软件包的能力。2. 实验平台实验主要结合OpenGL设计程序，实现各种课堂教学中讲过的图形算法。程序设计语言主要以C/C+为主，开发平台是Visual C+。3. 实验步骤1）预习教材与实验指导的实验具体方案部分相关的算法理论及原理。2）仿照教材与实验指导提供的算法，利用VC+ OpenGL进行实验。3）调试、编译、运行程序，运行通过后，可考虑对程序进行修改或改进。二、实验预备知识OpenGL作为当前主流的图形API之一，在一些场合具有比DirectX更优越的特性。（1） 与C语言紧密结合OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的，对于学习过C语言的人来讲，OpenGL很容易理解和学习。（2） 强大的可移植性微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只适用于Windows系统，而OpenGL不仅适用于Windows，还可以用于Unix/Linux等其他系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机上都有应用。并且，OpenGL的基本命令都做到了硬件无关，甚至是平台无关。（3） 高性能的图形渲染OpenGL是一个工业标准，它的技术紧跟时代，现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持，激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。总之，OpenGL是一个非常优秀的图形软件接口。下面对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。以下几点是学习OpenGL前的准备工作。1. 选择一个编译环境现在Windows系统的主流编译环境有Visual C+， C+Builder，Dev-C+等，它们都支持OpenGL。 这里选择Visual C+作为学习OpenGL的实验环境。2. 安装OpenGL工具包1） 将OpenGL工具包dll文件夹中的*.dll文件放到操作系统目录下面的system32文件夹（其路径一般为：C:WindowsSystem32）。2） 打开VC，在VC中选择ToolsOptionsDirectories，然后在Show directories for中选择Include files，在下面添加OpenGL工具包中Include文件夹的路径，如下图所示：3） 类似地，在Show directories for中选择library files，在下面添加OpenGL工具包中lib文件夹的路径，然后按OK。如下图所示：3. 建立一个OpenGL工程打开VC后，在VC中选择FileNewProject，然后选择Win32 Console Application, 选择一个名字，然后按“OK”。在弹出的对话框中点An empty project，选择Finish。然后向该工程添加一个源文件，选择一个名字。三、实验报告要求（1） 有实验报告封面（2） 给出简要的设计思路（原理）。（3） 给出实现代码。（4） 给出实验结果的屏幕截图。（5） 实验的心得体会或建议。实验一 VC+6.0+OpenGL绘图环境及简单图形的输出实验项目性质：验证性实验所属课程名称：3D游戏图形学实验计划学时：2学时一 实验目的1、 熟练使用实验主要开发平台VC+6.0；2、 进一步熟悉OpenGL的主要功能；3、 掌握OpenGL的绘图流程和原理；4、 掌握OpenGL的基本数据类型、核心函数的使用。二 实验内容创建一个OpenGL工程，利用OpenGL库函数进行简单图形设计与绘制。三 实验原理1、 基本语法（C版本下的OpenGL语法）OpenGL基本函数均使用gl作为函数名的前缀，如glClearColor（）；实用函数则使用glu作为函数名的前缀，如gluSphere（）。OpenGL基本常量的名字以GL_开头，如GL_LINE_LOOP；实用常量的名字以GLU_开头，如GLU_FILL。一些函数如glColor*（）（定义颜色值），函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式，如glColor3b（）、glColor3d（）、glColor3f（）和glColor3bv（）等，这几个函数在功能上是相似的，只是适用于不同的数据类型和格式，其中3表示该函数带有三个参数，b、d、f分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型，v则表示这些参数是以向量形式出现的。OpenGL定义了一些特殊标识符，如GLfloat、GLvoid，它们其实就是C中的float和void。2、 程序的基本结构OpenGL程序的基本结构可分为三个部分：第一部分是初始化，主要是设置一些OpenGL的状态开关，如颜色模式（RGBA或ALPHA）的选择，是否作光照处理（若有的话，还需设置光源的特性），深度检验、裁剪等。这些状态一般都用函数glEnable（）、glDisable（）来设置，“”表示特定的状态。第二部分设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置大小，主要利用了三个函数：函数void glViewport(left, top, right, bottom) 设置在屏幕上的窗口大小，四个参数描述屏幕窗口四个角上的坐标（以像素表示）；函数void glOrtho(left, right, bottom, top, near, far) 设置投影方式为正交投影（平行投影），其取景体积是一个各面均为矩形的六面体；函数void gluPerspective(fovy, aspect, zNear, zFar) 设置投影方式为透视投影，其取景体积是一个截头锥体。第三部分是OpenGL的主要部分，是使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的数学描述，包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等。3、 OpenGL状态机制OpenGL的工作方式是一种状态机制，它可以进行各种状态或模式设置，这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。例如，当前颜色就是一个状态变量，在这个状态改变之前，绘制的每个像素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其他颜色为止。OpenGL中大量地使用了这种状态机制，如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等。许多状态变量可以通过glEnabel()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度测试等；在被设置成有效状态之后，绝大部分状态变量都有一个缺省值。四 实验代码如预备知识所述，安装OpenGL工具包，创建一个OpenGL工程，在源文件上输入代码：#include #include /初始化OpenGL场景void myinit (void) glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);/将背景置成黑色 glShadeModel (GL_FLAT);/设置明暗处理/用户的绘图过程void display(void) glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT);/清除缓存 glBegin(GL_LINES);/开始画一根白线 glColor3f (1.0f, 1.0f, 1.0f);/设置颜色为白色/设置第一根线的两个端点，请注意：OpenGL坐标系的原点是在屏幕左下角 glVertex2f(10.0f, 50.0f); glVertex2f(110.0f, 50.0f); glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f);/设置颜色为红色/设置第二根线的两个端点 glVertex2f(110.0f, 50.0f); glVertex2f(110.0f, 150.0f); glEnd();/画线结束 glFlush ();/绘图结束/主过程：/初始化Windows的窗口界面/并初始化OpenGL场景，绘图int main(int argc, char* argv)glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB); /初始化窗口的显示模式glutInitWindowSize(400,300); /设置窗口的尺寸glutInitWindowPosition(100,120); /设置窗口的位置glutCreatWindow（“”）； /创建一个名为“”的窗口glutDisplayFunc(Display); /设置当前窗口的显示回调函数myinit（）； /完成窗口初始化glutMainLoop(); /启动主GLUT事件处理循环 return(0);注：glShadeModel选择平坦或光滑渐变模式。GL_SMOOTH为缺省值，为光滑渐变模式，GL_FLAT为平坦渐变模式。该程序是在一个黑色的窗口中画两条线，分别用白色和红色绘制。首先，需要包含头文件#include ，这是GLUT的头文件。本来OpenGL程序一般还要包含和，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含。然后是main函数，其使用GLUT库实现窗口管理。我们关注的是display()函数，它是我们真正绘图的地方。函数glColor3f()以RGB方式设置颜色，格式为：glColor3f(red， green， blue)，每种颜色值在（0.0, 1.0)之间。函数glVertex2f(x, y)设置二维顶点。函数glBegin(UINT State)、glEnd()是最基本的作图函数，下面对它作一介绍。如上所述，OpenGL是一个状态机，glBegin(UINT State)可以设定如下状态：GL_POINTS画点GL_LINES画线，每两个顶点(Vertex)为一组GL_LINE_STRIP画线，把若干个顶点顺次连成折线GL_LINE_LOOP画线，把若干个顶点顺次连成封闭折线GL_TRIANGLES画三角形，每三个顶点为一组GL_QUADS画四边形，每四个顶点为一组GL_POLYGON画多边形还有GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN, GL_QUADS_STRIP 等等。大家把每一种状态都试一试。另外，程序可以有多组glBegin()、glEnd()并列的形式，如：. .glBegin(GL_LINES);.glEnd();glBegin(GL_QUADS);. .glEnd();. .除了上述的基本图元外，函数glRectf(x1, y1, x2, y2)可以画一个矩形，但这个函数不能放在glBegin()和glEnd()之间，下面的两句程序是画一个蓝色的矩形。glColor3f (0.0f, 0.0f, 1.0f);glRectf(10.0f, 10.0f, 50.0f,50.0f);实验二 基本图形学算法实验实验项目性质：验证、设计性实验所属课程名称：3D游戏图形学实验计划学时：4学时一 实验目的1、 理解基本图形元素光栅的基本原理；2、 掌握直线和圆的多种生成算法；3、 掌握二维图元的种子填充算法和扫描填充算法。二 实验内容1、 编程实现DDA算法、中点算法和改进Bresenham算法生成直线；2、 编程实现简单方程算法和中点Bresenham算法生成圆；3、 选做：编程实现改进的Bresenham算法生成圆。三 实验原理各算法的原理参考教材第五章内容。下面介绍一下OpenGL画线的一些基础知识和glutReshapeFunc（）函数。（1） 数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。同时，OpenGL的直线必须是有限长度，而不是像数学概念那样是无限的。可以认为，OpenGL的“直线”概念与数学上的“线段”接近，它可以由两个端点来确定。这里的线由一系列顶点顺次连接而成，有闭合和不闭合两种。（2） 首次打开窗口、移动窗口和改变窗口大小时，窗口系统都将发送一个事件，以通知程序员。如果使用的是GLUT，通知将自动完成，并调用向glutReshapeFunc（）注册的函数。该函数必须完成下列工作：a 重新建立用作新渲染画布的矩形区域；b 定义绘制物体时使用的坐标系。如：void Reshape(int w, int h)glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluOrtho2D(0.0, (GLdouble)w, 0.0, (GLdouble)h); 在GLUT内部，将给该函数传递两个参数：窗口被移动或修改大小后的宽度和高度，单位为像素。glViewport( )调整像素矩形，用于绘制整个窗口。接下来三个函数调整绘图坐标系，使左下角位置为（0，0），右上角为（w，h）。补充：生成圆的改进的Bresenham算法原理如下图所示，若Pi-1（xi-1,yi-1）为已经选定的点，那么下一个可能的像素点为其正右方的点Si或右下方的点Ti。若Si到圆弧的距离小于Ti到圆弧的距离，则取Si，反之取 Ti。Pi-1SiTixyO设R为圆弧的半径，记P(x,y)到原点的距离的平方与圆的半径的平方之差为D(P)，即，判别式为：设Pi-1的坐标为(xi-1,yi-1)，则Si和Ti的坐标分别为(xi,yi-1)和(xi,yi-1-1)，Si+1和Ti+1点的坐标分别为(xi+1,yi)和(xi+1,yi-1)，易知 当di0时，点Si作为下一个像素，则xi+1=xi+1, yi= yi-1,故当di0时，点Ti做为下一个像素点xi+1=xi+1, yi= yi-1-1,故 判别式初始值为 改进的Bresenham算法步骤为：1）输入圆的半径R。2）计算初始值d=3-2R、x=0、y=R。3）绘制点(x,y)及其在八分圆中的另外七个对称点。4）判断d的符号。若d0，则先将d更新为d+4x+6，再将(x,y)更新为(x+1,y)；否则先将d更新为d+4(x-y)+10，再将(x,y)更新为(x+1,y-1)。5）当xy时，重复步骤3和4。否则结束。四 示范代码/DDA算法# includevoid LineDDA(int x0, int y0, int x1, int y1)int x, dy, dx, y;float m;dx=x1-x0;dy=y1-y0;m=dy/dx;y=y0;glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);glPointSize(1);for(x=x0;x=x1;x+)glBegin(GL_POINTS);glVertex2i(x,(int)(y+0.5);glEnd();y+=m;void myDisplay(void)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);glRectf(25.0,25.0,75.0,75.0);glPointSize(5);glBegin(GL_POINTS);glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f); glVertex2f(0.0f,0.0f);glEnd();LineDDA(0,0,200,300);glBegin(GL_LINES);glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f); glVertex2f(100.0f,0.0f);glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f); glVertex2