用C语言设计实体光照模型课程设计报告

实体光照模型课程名称实体光照模型课程名称 课程设计报告课程设计报告 题目 用 C 语言设计实体光照模型 专业 网络工程 对口 班级 16 3 姓名 聂代应豪 指导教师 代美丽 成绩 计算机学院计算机学院 20172017 年年 4 4 月月 2 25 5 日日 学号学号1608220203 2016 2017 学年学年 第第 2 学期学期 目录目录 课程设计题目 实体光照模型课程设计题目 实体光照模型 一一 需求分析需求分析 2 二二 总体设计总体设计 2 三三 详细设计详细设计 3 四四 源代码源代码 11 一一 需求分析需求分析 如对长方体 建立一个点光源 采用环境光和点光源漫反射光 的光照模型 应用 FLAT 明暗处理方法 显示平行投影后的长方体光 照效果 二二 总体设计总体设计 图形介绍图形介绍 光照模型效果图 表面表面 模型模型 可见可见 面判断面判断 可见面背可见面背 光性判断光性判断 可见面可见面 光照计算光照计算 三三 详细设计详细设计 1 1 原理 原理 光照模型是真实感图形技术的重要组成部分 它主要研究的是如何根据光 学物理的有关定律 采用计算机来模拟自然界中光照明的物理过程 本文通过 对光源特性和物体表面特性 局部光照模型和整体光照模型的具体分析 完成 对光照模型的 系统阐述 关键词 光源特性 局部光照模型 全局光照模型 真实感图形 2 2 详细分支 详细分支 定义三维齐次坐标结构和面的结构 定义顶点表和面表 对长方体绕 X 轴 旋转和绕 Y 轴旋转 对每一个面计算其外法向量及可见性 对每个可见面计算其光线向量 并判断其是否为背光面 计算每个见光面的环境光和点光源的漫反射分量 用该面的光强显示该可见面 3 3 设计介绍 设计介绍 1 旋转变换 绕 X 轴旋转变换的坐标表示 绕 Y 轴旋转变换的坐标表示 2 平行投影 在 XOY 平面投影后坐标 3 环境光模型 物体没有受到光源的直射 但其表面仍有一定亮度 这是由于环境光的作用 表示环境光反射强度 表示环境光反射率 表示环境光入射强度 4 漫反射光模型 漫反射光可认为是在点光源的照射下 光被物体表面吸收后 然后重新反射 出来的光 表示漫反射光强度 表示漫反射反射率 表示点光源入射强度大小 入射光与物体表面法矢量夹角 4 4 定义结构及分析 定义结构及分析 1 定义三维齐次向量结构体 typedeftypedef structstruct Vector3DVector3D floatfloat x x floatfloat y y floatfloat z z intint f f f f 表示所在的平面的编号表示所在的平面的编号 VECTOR VECTOR 2 定义三维齐次坐标结构 typedeftypedef structstruct tagHOMOCOORDtagHOMOCOORD floatfloat x x floatfloat y y floatfloat z z floatfloat w w HOMOCOORD HOMOCOORD 3 定义面的结构 typedeftypedef structstruct tagPLANEtagPLANE intint v0 v0 v1 v1 v2 v2 v3 v3 VECTORVECTOR n n 外法向量外法向量 HOMOCOORDHOMOCOORD center center 中心点中心点 floatfloat Id Id 漫反射光强漫反射光强 intint flag flag 标识符标识符 floatfloat kd kd 漫反射率漫反射率 floatfloat ka ka 环境光反射率环境光反射率 floatfloat Ie Ie 环境光反射光强环境光反射光强 floatfloat I I 光强光强 PLANE PLANE 4 定义点的结构 typedeftypedef structstruct tagMYPOINTtagMYPOINT floatfloat x y x y MYPOINT MYPOINT 5 长方体顶点定义及初始化 ptsnewptsnew HOMOCOORD ptn HOMOCOORD ptn pts 0 xpts 0 x 1 1 pts 0 ypts 0 y 2 2 pts 0 zpts 0 z 1 1 pts 0 w1 pts 0 w1 pts 1 xpts 1 x 1 1 pts 1 ypts 1 y 2 2 pts 1 zpts 1 z 1 1 pts 1 w1 pts 1 w1 pts 2 xpts 2 x 1 1 pts 2 ypts 2 y 2 pts 2 z 2 pts 2 z 1 1 pts 2 w1 pts 2 w1 pts 3 xpts 3 x 1 1 pts 3 ypts 3 y 2 pts 3 z 2 pts 3 z 1 1 pts 3 w1 pts 3 w1 pts 4 xpts 4 x 1 1 pts 4 ypts 4 y 2 2 pts 4 zpts 4 z 1 1 pts 4 w1 pts 4 w1 pts 5 xpts 5 x 1 1 pts 5 ypts 5 y 2 2 pts 5 zpts 5 z 1 1 pts 5 w1 pts 5 w1 pts 6 xpts 6 x 1 1 pts 6 ypts 6 y 2 pts 6 z 2 pts 6 z 1 1 pts 6 w1 pts 6 w1 pts 7 xpts 7 x 1 1 pts 7 ypts 7 y 2 pts 7 z 2 pts 7 z 1 1 pts 7 w1 pts 7 w1 6 面表 fn6 fn6 facesnewfacesnew PLANE fn PLANE fn faces 0 v00 faces 0 v00 faces 0 v11 faces 0 v11 faces 0 v22 faces 0 v22 faces 0 v33 faces 0 v33 faces 1 v04 faces 1 v04 faces 1 v15 faces 1 v15 faces 1 v21 faces 1 v21 faces 1 v30 faces 1 v30 faces 2 v05 faces 2 v05 faces 2 v16 faces 2 v16 faces 2 v22 faces 2 v22 faces 2 v31 faces 2 v31 faces 3 v06 faces 3 v06 faces 3 v17 faces 3 v17 faces 3 v23 faces 3 v23 faces 3 v32 faces 3 v32 faces 4 v07 faces 4 v07 faces 4 v14 faces 4 v14 faces 4 v20 faces 4 v20 faces 4 v33 faces 4 v33 faces 5 v07 faces 5 v07 faces 5 v16 faces 5 v16 faces 5 v25 faces 5 v25 faces 5 v34 faces 5 v34 7 定义点光源 视线方向 光照方向 1 点光源 illuminant xilluminant x 100 100 illuminant yilluminant y 100 100 illuminant zilluminant z 100 100 IaIa 0 5 0 5 环境光入射强度环境光入射强度 IpIp 0 5 0 5 漫反射入射光强漫反射入射光强度度 2 视线方向 VECTORVECTOR eye vec eye vec eye vec xeye vec x 0 0 eye vec yeye vec y 0 0 eye vec zeye vec z 1 1 3 定义光照方向 light veclight vec newnew VECTOR fn VECTOR fn VECTORVECTOR vector 6 2 vector 6 2 fori0 fori0 i6 i6 i i vector i 0 vector i 0 CalculateVectorpts faces i v0 CalculateVectorpts faces i v0 pts pts faces i v1 faces i v1 i i vector i 1 vector i 1 CalculateVectorpts faces i v0 CalculateVectorpts faces i v0 pts pts faces i v2 faces i v2 i i 8 各面可见性计算和判断 1 计算各个面的外法向量 faces 0 nfaces 0 n VecCrossvector 0 0 VecCrossvector 0 0 vector 0 1 vector 0 1 fori0 fori0 i6 i6 i i faces i nfaces i n VecCrossvector i 0 VecCrossvector i 0 vector i 1 vector i 1 2 各个面的可见性判定 floatfloat cos angle cos angle fori0 fori0 i6 i6 i i cos anglecos angle 1 0 InnerProductfaces i n 1 0 InnerProductfaces i n eye vec GetModulefaces i n GetModuleeye vec eye vec GetModulefaces i n GetModuleeye vec ifcos angle0ifcos angle0 faces i flagfaces i flag VISIABLE VISIABLE elseelse faces i flagfaces i flag UNVISIABLE UNVISIABLE 3 计算各个面的中心点 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i center xfaces i center x pts faces i v0 x pts faces i v1 x pts faces i v2 x pts faces i vpts faces i v0 x pts faces i v1 x pts faces i v2 x pts faces i v 3 x 4 0f3 x 4 0f faces i center yfaces i center y pts faces i v0 y pts faces i v1 y pts faces i v2 y pts faces i vpts faces i v0 y pts faces i v1 y pts faces i v2 y pts faces i v 3 y 4 0f3 y 4 0f faces i center zfaces i center z pts faces i v0 z pts faces i v1 z pts faces i v2 z pts faces i vpts faces i v0 z pts faces i v1 z pts faces i v2 z pts faces i v 3 z 4 0f3 z 4 0f faces i center wfaces i center w pts faces i v0 w pts faces i v1 w pts faces i v2 w pts faces i vpts faces i v0 w pts faces i v1 w pts faces i v2 w pts faces i v 3 w 4 0f3 w 4 0f 4 计算各个面的光照方向 fori0 fori0 ifn ifn i i light vec i light vec i CalculateVectorilluminant CalculateVectorilluminant faces i center faces i center EOF EOF 5 计算各个面的漫反射光强 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Idfaces i Id Ip faces i kd 1 InnerProductfaces i n Ip faces i kd 1 InnerProductfaces i n light vec i GetModulefaces i n GetModulelight vec i light vec i GetModulefaces i n GetModulelight vec i 6 计算各个面环境光反射光强 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Iefaces i Ie faces i ka Ia faces i ka Ia 7 计算各个面光强 漫反射光强和环境反射光强之和 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Ifaces i I faces i Id faces i Iefaces i Id faces i Ie 窗口窗口 视区变换实现过程视区变换实现过程 floatfloat wxl 5 wxr5 wyb 5 wyt5 wxl 5 wxr5 wyb 5 wyt5 intint vxl0 vxr800 vyb0 vyt600 vxl0 vxr800 vyb0 vyt600 9 窗口 视区变换 intint a a intvxr vxl wxr wxl intvxr vxl wxr wxl intint b b intvxl wxl a intvxl wxl a intint c c intvyt vyb wyt wyb intvyt vyb wyt wyb intint d d intvyb wyb c intvyb wyb c fori0 iptn i fori0 iptn i pts2D i xpts2D i x a pts i x b a pts i x b pts2D i ypts2D i y c pts i y d c pts i y d 10 路径填充 CBrushCBrush Brush Brush CreateSolidBrushRGBfaces j I 255 faces j I 255 faces j IBrush Brush CreateSolidBrushRGBfaces j I 255 faces j I 255 faces j I 255 40 255 40 pd SelectObjectpd SelectObject pd BeginPath pd BeginPath pd MoveTop 0 pd MoveTop 0 forintforint i1 i4 i i1 i4 i pd LineTop i pd LineTop i pd LineTop 0 pd LineTop 0 pd EndPath pd EndPath pd FillPath pd FillPath Brush DeleteObject Brush DeleteObject 四四 源代码源代码 Draw3DView hDraw3DView h 文件文件 typedeftypedef structstruct Vector3DVector3D 定义三维齐次向量结构体定义三维齐次向量结构体 floatfloat x x floatfloat y y floatfloat z z intint f f f f 表示所在的平面的编号表示所在的平面的编号 VECTOR VECTOR typedeftypedef structstruct tagHOMOCOORDtagHOMOCOORD 定义三维齐次坐标结构定义三维齐次坐标结构 floatfloat x x floatfloat y y floatfloat z z floatfloat w w HOMOCOORD HOMOCOORD typedeftypedef structstruct tagPLANEtagPLANE 定义面的结构定义面的结构 intint v0 v0 v1 v1 v2 v2 v3 v3 VECTORVECTOR n n 外法向量外法向量 HOMOCOORDHOMOCOORD center center 中心点中心点 floatfloat Id Id 漫反射光强漫反射光强 intint flag flag floatfloat kd kd 漫反射率漫反射率 floatfloat ka ka 环境光反射率环境光反射率 floatfloat Ie Ie 环境光反射光强环境光反射光强 floatfloat I I 光强光强 PLANE PLANE typedeftypedef structstruct tagMYPOINTtagMYPOINT 定义点的结构定义点的结构 需要浮点数的需要浮点数的 x yx y floatfloat x y x y MYPOINT MYPOINT public public VECTORVECTOR CalculateVectorHOMOCOORDCalculateVectorHOMOCOORD start start HOMOCOORDHOMOCOORD end end intint face face 计算一个计算一个 3 3 维向量的函数维向量的函数 从从 startstart 点指向点指向 endend 点的属于点的属于 faceface 面的向量面的向量 VECTORVECTOR VecCrossVECTORVecCrossVECTOR vec1 vec1 VECTORVECTOR vec2 vec2 计算两个向量叉积计算两个向量叉积 即外法向量即外法向量 floatfloat InnerProductVECTORInnerProductVECTOR vec1 vec1 VECTORVECTOR vec2 vec2 计算两个向量的内积计算两个向量的内积 floatfloat GetModuleVECTORGetModuleVECTOR vec vec 计算向量的模计算向量的模 voidvoid RotateYintRotateYint angle angle 绕绕 y y 轴逆时针旋转轴逆时针旋转 voidvoid RotateXintRotateXint angle angle 绕绕 x x 轴逆时针旋转轴逆时针旋转 voidvoid DrawMy3DGraphics DrawMy3DGraphics 绘制长方体绘制长方体 virtualvirtual CDraw3DView CDraw3DView protected protected HOMOCOORDHOMOCOORD illuminant illuminant 定义光源坐标定义光源坐标 floatfloat Ip Ip 定义光源光强定义光源光强 floatfloat Ia Ia 环境光光强环境光光强 VECTORVECTOR light vec light vec 各个面的光照方向指针各个面的光照方向指针 HOMOCOORDHOMOCOORD pts pts 三维顶点指针三维顶点指针 MYPOINTMYPOINT pts2D pts2D 自定义的二维浮点数结构自定义的二维浮点数结构 表示变换后的二维点表示变换后的二维点 PLANEPLANE faces faces 长方体的面指针长方体的面指针 intint ptn fn ptn fn 顶点个数与面的个数顶点个数与面的个数 Draw3DView cDraw3DView c 文件文件 intint x anglex angle 0 0 intint y angley angle 0 0 voidvoid CDraw3DView DrawMy3DGraphicsCDraw3DView DrawMy3DGraphics intint i i 形体定义形体定义 ptn8 ptn8 ptsnewptsnew HOMOCOORD ptn HOMOCOORD ptn 设置长方体设置长方体 pts 0 x1 pts 0 x1 pts 0 y2 pts 0 y2 pts 0 z1 pts 0 z1 pts 0 w1 pts 0 w1 pts 1 x 1 pts 1 x 1 pts 1 y2 pts 1 y2 pts 1 z1 pts 1 z1 pts 1 w1 pts 1 w1 pts 2 x 1 pts 2 x 1 pts 2 y 2 pts 2 y 2 pts 2 z1 pts 2 z1 pts 2 w1 pts 2 w1 pts 3 x1 pts 3 x1 pts 3 y 2 pts 3 y 2 pts 3 z1 pts 3 z1 pts 3 w1 pts 3 w1 pts 4 x1 pts 4 x1 pts 4 y2 pts 4 y2 pts 4 z 1 pts 4 z 1 pts 4 w1 pts 4 w1 pts 5 x 1 pts 5 x 1 pts 5 y2 pts 5 y2 pts 5 z 1 pts 5 z 1 pts 5 w1 pts 5 w1 pts 6 x 1 pts 6 x 1 pts 6 y 2 pts 6 y 2 pts 6 z 1 pts 6 z 1 pts 6 w1 pts 6 w1 pts 7 x1 pts 7 x1 pts 7 y 2 pts 7 y 2 pts 7 z 1 pts 7 z 1 pts 7 w1 pts 7 w1 给定义面的指给定义面的指 针分配内存针分配内存 fn6 fn6 facesnewfacesnew PLANE fn PLANE fn 设置立方体各面设置立方体各面 faces 0 v00 faces 0 v00 faces 0 v11 faces 0 v11 faces 0 v22 faces 0 v22 faces 0 v33 faces 1 v04 faces 0 v33 faces 1 v04 faces 1 v15 faces 1 v15 faces 1 v21 faces 1 v21 faces 1 v30 faces 2 v05 faces 1 v30 faces 2 v05 faces 2 v16 faces 2 v16 faces 2 v22 faces 2 v22 faces 2 v31 faces 3 v06 faces 2 v31 faces 3 v06 faces 3 v17 faces 3 v17 faces 3 v23 faces 3 v23 faces 3 v32 faces 4 v07 faces 3 v32 faces 4 v07 faces 4 v14 faces 4 v14 faces 4 v20 faces 4 v20 faces 4 v33 faces 5 v07 faces 4 v33 faces 5 v07 faces 5 v16 faces 5 v16 faces 5 v25 faces 5 v25 faces 5 v34 pts2Dnewfaces 5 v34 pts2Dnew MYPOINT ptn MYPOINT ptn fori0 fori0 ifn ifn i i faces i kafaces i ka 0 8 0 8 faces i kdfaces i kd 0 8 0 8 定义点光源定义点光源 illuminant xilluminant x 100 100 illuminant yilluminant y 100 100 illuminant zilluminant z 100 100 IaIa 0 5 0 5 IpIp 0 5 0 5 定义视线方向定义视线方向 VECTORVECTOR eye vec eye vec eye vec xeye vec x 0 0 eye vec yeye vec y 0 0 eye vec zeye vec z 1 1 定义光照方向定义光照方向 light veclight vec newnew VECTOR fn VECTOR fn 旋转调用旋转调用 RotateXx angle RotateYy angle RotateXx angle RotateYy angle 定义并计算各个面的两条相交的向量定义并计算各个面的两条相交的向量 VECTORVECTOR vector 6 2 vector 6 2 fori0 fori0 i6 i6 i i vector i 0 vector i 0 CalculateVectorpts faces i v0 CalculateVectorpts faces i v0 pts pts faces i v1 faces i v1 i i vector i 1 vector i 1 CalculateVectorpts faces i v0 CalculateVectorpts faces i v0 pts pts faces i v2 faces i v2 i i 计算各个面的外法向量计算各个面的外法向量 faces 0 nfaces 0 n VecCrossvector 0 0 VecCrossvector 0 0 vector 0 1 vector 0 1 fori0 fori0 i6 i6 i i faces i nfaces i n VecCrossvector i 0 VecCrossvector i 0 vector i 1 vector i 1 各个面的可见性判定各个面的可见性判定 floatfloat cos angle cos angle fori0 fori0 i6 i6 i i cos anglecos angle 1 0 InnerProductfaces i n 1 0 InnerProductfaces i n eye vec GetModulefaces i n GetModuleeye vec eye vec GetModulefaces i n GetModuleeye vec ifcos angle0ifcos angle0 faces i flagfaces i flag VISIABLE VISIABLE elseelse faces i flagfaces i flag UNVISIABLE UNVISIABLE 计算各个面的中心点计算各个面的中心点 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i center xfaces i center x pts faces i v0 x pts faces i v1 x pts faces i v2 x pts faces i vpts faces i v0 x pts faces i v1 x pts faces i v2 x pts faces i v 3 x 4 0f3 x 4 0f faces i center yfaces i center y pts faces i v0 y pts faces i v1 y pts faces i v2 y pts faces i vpts faces i v0 y pts faces i v1 y pts faces i v2 y pts faces i v 3 y 4 0f3 y 4 0f faces i center zfaces i center z pts faces i v0 z pts faces i v1 z pts faces i v2 z pts faces i vpts faces i v0 z pts faces i v1 z pts faces i v2 z pts faces i v 3 z 4 0f3 z 4 0f faces i center wfaces i center w pts faces i v0 w pts faces i v1 w pts faces i v2 w pts faces i vpts faces i v0 w pts faces i v1 w pts faces i v2 w pts faces i v 3 w 4 0f3 w 4 0f 计算各个面的光照方向计算各个面的光照方向 fori0 fori0 ifn ifn i i light vec i light vec i CalculateVectorilluminant CalculateVectorilluminant faces i center faces i center EOF EOF 计算各个面的漫反射光强计算各个面的漫反射光强 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Idfaces i Id Ip faces i kd 1 InnerProductfaces i n Ip faces i kd 1 InnerProductfaces i n light vec i GetModulefaces i n GetModulelight vec i light vec i GetModulefaces i n GetModulelight vec i 计算各个面环境光反射光强计算各个面环境光反射光强 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Iefaces i Ie faces i ka Ia faces i ka Ia 计算各个面光强计算各个面光强 fori0 fori0 ifn ifn i i faces i Ifaces i I faces i Id faces i Iefaces i Id faces i Ie 平行投影变换平行投影变换 fori0 iptn i fori0 iptn i pts i xpts i x pts i xpts i x pts i ypts i y pts i ypts i y 窗口窗口 视区变换视区变换 intint a a intvxr vxl wxr wxl intvxr vxl wxr wxl intint b b intvxl wxl a intvxl wxl a intint c c intvyt vyb wyt wyb intvyt vyb wyt wyb intint d d intvyb wyb c intvyb wyb c fori0 iptn i fori0 iptn i pts2D i xpts2D i x a pts i x b a pts i x b pts2D i ypts2D i y c pts i y d c pts i y d 图形显示图形显示 CClientDCCClientDC pdthis pdthis CPointCPoint p 4 p 4 forintforint j0 j0 j6 j6 j j iffaces j flagVISIABLEiffaces j flagVISIABLE p 0 CPointpts2D faces j v0 x pts2D faces j v0 y p 0 CPointpts2D faces j v0 x pts2D faces j v0 y p 1 CPointpts2D faces j v1 x pts2D faces j v1 y p 1 CPointpts2D faces j v1 x pts2D faces j v1 y p 2 CPointpts2D faces j v2 x pts2D faces j v2 y p 2 CPointpts2D faces j v2 x pts2D faces j v2 y p 3 CPointpts2D faces j v3 x pts2D faces j v3 y p 3 CPointpts2D faces j v3 x pts2D faces j v3 y dc SelectObjectpOld dc SelectObjectpOld 把画笔设置为原来的把画笔设置为原来的 CBrushCBrush Brush DKGRAY BRUSH RGB64 64 64 Brush DKGRAY BRUSH RGB64 64 64 Brush CreateSolidBrushRGBfaces j I 255 faces j I 255 faces j IBrush CreateSolidBrushRGBfaces j I 255 faces j I 255 faces j I 255 40 255 40 pd SelectObjectpd SelectObject pd BeginPath pd BeginPath pd MoveTop 0 pd MoveTop 0 forintforint i1 i4 i i1 i4 i pd LineTop i pd LineTop i pd LineTop 0 pd LineTop 0 pd EndPath pd EndPath pd FillPath pd FillPath Brush DeleteObject Brush DeleteObject voidvoid CDraw3DView RotateXintCDraw3DView RotateXint angle angle 绕绕 x x 轴逆时针旋转轴逆时针旋转 floatfloat aangle PI 180 aangle PI 180 forintforint i0 iptn i i0 iptn i floatfloat y z y z ypts i y ypts i y zpts i z zpts i z pts i yy cosa z sina pts i yy cosa z sina pts i zy sina z cosa pts i zy sina z cosa voidvoid CDraw3DView RotateYintCDraw3DView RotateYint angleangle 绕绕 y y 轴逆时针旋转轴逆时针旋转 floatfloat bangle PI 180 bangle PI 180 forintforint i0 iptn i i0 iptn i floatfloat x z x z xpts i x xpts i x zpts i z zpts i z pts i xx cosb z sinb pts i xx cosb z sinb pts i z x sinb z cosb pts i z x sinb z cosb VECTORVECTOR CDraw3DView CalculateVectorHOMOCOORDCDraw3DView CalculateVectorHOMOCOORD start start HOMOCOORDHOMOCOORD end end intint faceface 计算一个计算一个 3 3 维向量的函数维向量的函数 从从 startstart 点指向点指向 endend 点的属于点的属于 faceface 面的向量面的向量 VECTORVECTOR tempVector tempVector tempVector xtempVector x end x start x end x start x tempVector ytempVector y end y start y end y start y temp