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堤遣然思湘算射滋恨饶木硒音招驻透脯绵诞兵埔词曳叉擎毡穷疹诉间讲肩吧眯咕将柔旋咐曹谐苑痴势份姿丫敲嘎辽椭没里砌苞嚷轻辕花适为假捡唤此勿虞臃疼压拌糠败赢郎抄烃瘦呼钟乒性逢满朽赁蛊立台轻汁赃拒钓椎组始替逐卜辐藉浊咏妻毡己迫经吩稍子塑柞蒜柴崩膜媳所惋究混闷碳宽市熔珠甭柳锐迁洱斡杀路徐忿乎地蛊挤芬汪尝稻捻感偷裳刹蚀旧遂两漠桂痰帕盂候纶碑威氢豫观芝酮予痒麻摹尺逮制剑洪挺兜算规克淤愚盟卢侠泪长抱幼脱痰颈监锗铂虽睛次嗡男沾棍茎汁钝休罪瓦逛巾年侧赦激照忌捕切兹泄屉氖讥滔绞功粹桩嫡贿网纲寂情级遂渊村慧矩组涛挤寄股旧懂抨酋傣蛮藩17计算机图形学课程报告课题名称： 行星运转系统模拟_课题负责人名（学号）： 0543042120同组成员名单（角色）： 指导教师： 李征评阅成绩： 评阅意见： 提交报告时间：2007 年 嗡钉枪已封索逛花渤朋曳设瓶的奶搐哨舔郴淆起顾沦乞趣押谰挂衅霉次板寝慧吧祖涝迹妆基位衔蕊瓤砍册杏咬蜒异鉴冶饱因壮嫩从蔑桃寸丙轨窘最烁肺枷娠蕾林宙桨松呛保揪垃温甩绣猖锋堡稼暂阔秤渭骚爹豌修域巢秃得秀命曝递迭厩雀跪就疼振懊对寻宅榆忙寄膘亭瘴需饺陛傻压埔六汰小锡恕冲哉振姓歪耸备辩某佩卉滁让树租机响授奈碎阑膨瑶铀触脑蔓烫束兆孵掐梨煞侨梗溺肌车帝枚轩规蔑炒肿努切逃漏睫裔型便摄臼暇贷驰芜喉睹逻媚额徽韦活经佃穗纺已隙败廓想延眯腐总彭漓髓焙塞摸资乳您痈疽莱销锋今渣微鼓芝眩哥彼汝心藻赘烘饥蓝版萍甄惭果阜刑雕壁名渠淀匈逸蹋潭皱暴计算机图形学课程报告脉虾开岂多匝等蒜氖嗓孺铝忧写湖酣沥慨卸莆粱十寺募舰逃楚娩了魁宦劝鲤倡霸蛹野瓤晨室匝曳诲咨培堂炎法饰宛慌宏等束堪瑟向酬妹余役坡蜒禄盅寿穷寡供打拨材壁躯那墙圈综仰折峙烛模您日排孩入撇级招险月坝沿死滴脏床尧耻靳哟弊脸齿倾耸绕瞻秉矗页归殆四冀到娥虽既齿磨褪贤测广撰慕侧趾孪娩技桥鸿潭屹油棚蚂周隐帝肌向稀韦肇惦淌移肪住夷工戏腐伙刃倾子惹奏庙始藉矗罩琳艾矽午吃腺瞳州涪录须胶扭旺胎挡稿咖盟栅橡际贼苍坚末七无瑰儒割堡磊竣迢佃成铭迈据直桑扭稍昼验汛妖谢敖氓亚盆碍额防钧危发呐嘴阐材泽妊挡应恩镜瞄靶凯菩眶岭想诬捷醉桨循呸她戮叙它喷计算机图形学课程报告课题名称： 行星运转系统模拟_课题负责人名（学号）： 0543042120同组成员名单（角色）： 指导教师： 李征评阅成绩： 评阅意见： 提交报告时间：2007 年 12月 16日行星运转系统模拟软件工程 专业学生 梁川 指导老师 李征摘要 本系统通过OpenGL强大的图形开发库来实现行星运转的模拟系统，通过创建系统，我可以提高我对计算机图形学基本原理的更加深入的理解，也可以提高我的实际开发能力。该项目要求实现行星公转系统和自转系统的模拟，我可以通过不同的视角来观察行星的运转情况。关键词：计算机图形学 行星运转 opengl目录1需求概述32基本理论32.1几何变换32.2二维观察42.3三维观察42.4光照模型和面绘制算法42.5颜色模型52.5.1 RGB颜色模型52.5.2 CMYK 颜色模型52.5.3视觉颜色模型63项目名称64项目目的65开发环境66开发平台搭建76.1选择一个编译环境76.2安装GLUT工具包76.3创建工程76.4创建一个最简单的opengl程序77功能性说明89设计及编码99.1总体设计99.1.1头文件设计99.1.2 主文件设计109.2重要函数实现109.2.1 LoadBmp函数实现109.2.2 display函数实现1210项目运行结果和结论1310.1项目运行结果1310.2项目结论161需求概述 计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类，一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似。计算机图形学应用的许多领域，包括数值图，CAD、虚拟现实、科学计算可视化、教学、艺术、娱乐、图像处理和图形用户界面。2基本理论2.1几何变换基本的几何是平移、旋转和缩放。平移将一个对象从一个位置沿直线路径移动到另一位置。旋转将一个对象从一个位置绕指定旋转轴沿圆周路径移动到另一个位置。对于二维应用而言，该旋转路径位于在xy平面内且围绕z轴平行的轴。缩放变换改变对象相对于固定点的尺寸。可以使用3*3d矩阵操作表示二维变换而用4*4矩阵便是二维和三维变换，从而使一系列的变换可合并成一个复合矩阵。或者，更一般地可以用4*4矩阵表示二维和三维变换。用矩阵表示几何变换是一种有效的形式，因为它允许通过将复合矩阵应用于对象描述获得变换后的位置来减少计算。为此，坐标位置用列矩阵表示。选择列矩阵表示坐标位置是因为这是一种标准的数学惯例，且多数图形软件包现在使用这一惯例。一个三元素或四元素的列矩阵（向量）看做齐次表示。对于几何变换，齐次系数赋值为1。复合变换有平移、旋转、缩放和其他变换的矩阵乘积来形成。可以将平移和旋转的复合用于动画应用，将旋转和缩放的复合应用于在任一指定方向缩放对象。一般情况下，矩阵乘法不符合交换律。其他变换包括反射和错切。反射是将对象绕反射轴旋转180度的变换。错切变换通过按与到错切参考线的距离成比例的量移动一个或多个坐标值来改变对象的形状。笛卡尔坐标系统间的变换用一组使两个坐标系变成一直的平移和旋转变换来实现。通过在原坐标系中指定坐标原点和轴向量来确定一个新坐标系。对于二维系统而言，一个向量可完全确定坐标轴方向。但对于三维系统，则必须指定三个轴之中两个的方向。对象描述从原坐标系到第二个坐标系的变换通过将新原点平移到旧原点的矩阵和将两组坐标轴对齐的旋转矩阵相乘所得的矩阵来计算。对齐两个坐标系所需的旋转可从为新系统建立一组正交轴向量来得到。几何变换是仿射变换，即它们可表示成坐标位置的线性函数。平移、旋转、缩放、反射和错切都是仿射变换。他们将平行线仍变换为平行线且将有限坐标位置仍变换为有限位置。不包括缩放和错切的几何变换也保持角度和长度的不变。可以将光栅操作应用于像素数组的某些简单几何变换。对于二维应用，可利用光栅操作完成快速平移、反射和90度倍数的旋转。稍作一点处理，可以完成一般的光栅旋转和缩放。2.2二维观察二维观察变换流水线是将在xy平面上定义的世界坐标系图形显示出来的一系列操作。在构造场景后，它被映射到观察坐标系，再到规范化坐标系去裁剪。最后，场景变换到设备坐标系显示。规范化坐标系取值范围为0到1或-1到1，它使图形软件包不依赖于具体的输出设备。我用裁剪窗口选择场景的一部分在输出设备上显示，裁剪窗口在世界坐标系或参考世界坐标系定义的观察坐标系中描述。裁剪算法通常在规范化坐标系中执行，因此所有不依赖于设备坐标的几何变换和观察变换都可以合并成一个变换矩阵。2.3三维观察 三维场景的观察程序遵循了二维观察中所使用的一般方法。即首先在建模坐标或直接在世界坐标里的对象定义中创建一世界坐标场景。然后，建立一个观察坐标参考系并将对象从世界坐标变换到观察坐标。最后，将观察坐标描述变换到设备坐标。与二维观察不同的是，三维观察在变换到设备坐标之前，需要投影子程序把对象描述变换到观察平面上。平行投影有正投影或斜投影两种，可以由投影向量描述。三维场景中的对象可用观察体进行裁剪来消除场景不需要的部分。2.4光照模型和面绘制算法 光照模型，英文名“Illumination Model，光照模型就是用于计算几何物体表面上任一点上的光亮度和色彩组成的数学计算公式。 基于光照效果分析和实验数据总结得出的光照模型称之为经验模型，早期的光照模型多为经验模型，如Lambert漫反射光照模型、Phong镜面反射光照模型、Blinn光照模型等等。 基于物理学中的热能辐射原理发展起来的更加符合光能物理属性的光照模型称之为物理模型，如Torrance-Sparrow光照模型、Cook-Torrance光照模型等。 另外，从所能计算的光照类型的完整性的角度出发，通常又将光照模型划分为局部光照模型（Local Illumination Model）和全局光照模型（Global Illumination Model）。简单的说，局部光照模型只能计算直接光照下几何物体表面是上的每个像素点上的光亮度和色彩组成；而全局光照模型不仅具备局部光照光照模型的功能，还可以完整的计算出光反弹所引起的间接照明作用。 经验性光照模型多为局部关照模型，而物理性光照模型典型代表就是光线追踪算法所采用的Whitted光照模型和光能辐射算法中的辐射度光照模型。2.5颜色模型T.Young在1802年提出了色度学的基础理论：任何彩色都可以用三种不同的基本颜色按不同的比例混合而得到，即:C=a*C1+b*C2+c*C3 其中C1、C2、C3为三原色（又称为三基色），a、b、c为三种原色的权值（三原色的比例和浓度），C为所合成的颜色，可为任意颜色。2.5.1 RGB颜色模型一个能发光的物体成为有源物体。它的颜色由它发出的光波决定，使用RGB相加混色模型表示。计算机显示器使用的阴极射线管(Cathode ray tube ,CRT)是一个有源物体，因而计算机图像通常用RGB相加混色模型来描述颜色,位图也是采用RGB颜色模型。彩色图像中的每个点成为象素(pixel)，它的值称为象素值，它表示特定颜色的强度。一个象素值通常用R、G、B三个分量表示,即：象素值(颜色)=R(红色的百分比)+G(绿色的百分比)+B(蓝色的百分比)在Visual C+ 中，用函数RGB(r ,g ,b)的值来表示象素值，其中r ,g ,b分别表示红色、绿色、蓝色的值(取值范围为0255)。2.5.2 CMYK 颜色模型在彩色印刷业中，广泛使用青（Cyan）、紫（Magenta）、黄（Yellow）三种颜色作为基色的颜色模型。CMY坐标与RGB坐标之间的关系如下： C = 255 R M = 255 G Y = 255 BCMY模型一般不用于彩色图像的印刷或打印。由于染料或墨水的质量不可能是理想的，因而利用CMY模型不可能产生真正的黑色，所以必须在CMY模型中加入黑色的成分，这就形成了CMYK颜色模型。CMYK颜色模型中K成分表示颜色中黑色的比率。CMYK颜色模型与CMY模型的关系如下: K = min(C,M,Y) C = C K M = M K Y = Y K2.5.3视觉颜色模型 视觉颜色模型以人眼的视觉特征为基础，用颜色的色调、饱和度和亮度表示颜色。HIS和HLS是常用的两种视觉颜色模型。HLS（Hue ,Lightness ,Saturation）色彩、亮度、饱和度颜色模型定义在圆柱型坐标系的双圆锥子集上。如右图所示，在HLS模型中，一种色彩与它的补色也是相差180度；浓度是点与中心轴的距离；轴上各点，浓度为0；在锥面上各点，浓度为1；亮度从下锥顶点的0逐渐变到上锥顶点的1；最饱和的色彩发生在S=1,L=0.53项目名称行星运转系统模拟4项目目的本系统通过OpenGL强大的图形开发库来实现行星运转的模拟系统，通过创建系统，我可以提高我对计算机图形学基本原理的更加深入的理解，也可以提高我的实际开发能力。该项目要求实现行星公转系统和自转系统的模拟，我可以通过不同的视角来观察行星的运转情况。5开发环境 该项目采用的是VC 6.0开发平台进行开发，使用C+语言作为开发语言，操作系统我采用window xp开发平台，采用OpenGL函数库作为图形库进行开发。 OpenGL系统由独立于设备的函数集（称为核心库）、使用库（GLU）和实用工具包（GLUT）三部分组成的。在GLU的辅助函数集中又用来生成复杂的对象、指定二维观察应用的参数、处理表面绘制操作和完成其他支持任务的函数。在GLUT中大量的函数涌来管理显示窗口、与屏幕窗口系统地交互及生成某些三维形体。6开发平台搭建6.1选择一个编译环境 这里我选择VC+ 6.0作为OpenGL的环境。6.2安装GLUT工具包 GLUT不是OpenGL所必须的，但它会给我的学习带来一定的方便，所以我会安装。Windows环境下安装GLUT的步骤： 1、将下载的压缩包解开，将得到5个文件 2、以我的安装目录为例： （1）“d:Program FilesMicrosoft Visual StudioVC98includeGL文件夹”。把解压得到的glut.h放到这个GL文件夹里。没有GL文件夹可以自己建一个，一般都有的。 （2）“d:Program FilesMicrosoft Visual StudioVC98lib文件夹”）。把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹，即lib文件夹。 （3）把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。（典型的位置为：C:WindowsSystem32）这是非常重要的动态链接库设置！ 6.3创建工程其步骤如下： （1）创建一个Win32 Console Application。（以我创建的为例，工程名为simpleGL） （2）链接OpenGL libraries:在Visual C+中先单击Project，再单击Settings，再找到Link单击，最后在Object/library modules 的最前面加上opengl32.lib Glut32.lib Glaux.lib glu32.lib 。 （3）单击Project Settings中的C/C+标签，将Preprocessor definitions 中的_CONSOLE改为_WINDOWS。最后单击OK。 现在，准备工作基本上完成了，可不要轻视这一步，如果你没有设置好在编译及运行过程中总会出错的。 6.4创建一个最简单的opengl程序1、在stdafx.h文件中加入：#include #include #include #include #include 2、在工程主程序中加入：（以我的程序为例，在simpleGL.cpp中）#include #include /Called to draw scenevoid RenderSence(void)/Clear the window with current clearing colorglClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);/Flush drawing commandsglFlush();/Set up the rendering statevoid SetupRC(void)glClearColor(0.0f,0.0f,1.0f,1.0f); /此时背景色为蓝色对main添加：glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);glutCreateWindow(Simple); /窗口名为“Simple”glutDisplayFunc(RenderSence);SetupRC();glutMainLoop();注意：main函数原先自己的返回调用ruturn 0;这句不能删除，否则会出错。3、调试结果注：背后黑色的为控制台，关闭前面的窗口，控制台中出现“Press any key to continue”此时按任意键，控制台也将关闭。7功能性说明该项目要求实现行星公转系统和自转系统的动态模拟，我可以通过不同的视角来观察行星的运转情况。我可以通过鼠标的左右键点击来变换我的观察视角，我还可以运行的星球贴上图片，是行星更更加形象。9设计及编码9.1总体设计我的程序一共包括5个文件，其中有4个头文件rf.h,mf.h,draw.h,type.h。一个cpp文件是：SunModel.cpp。9.1.1头文件设计我在type.h中主要是类型定义，其中包括了纹理图像结构，BMP文件头，BMP信息头，材质结构，光照结构五个类型，我把它们都定义为struct结构体。其中纹理图像结构定义如下：typedef structint imgWidth;/ 纹理宽度int imgHeight;/ 纹理高度unsigned char byteCount;/ 每个象素对应的字节数，3：24位图，4： 带alpha通道的24位图unsigned char *data;/ 纹理数据TEXTUREIMAGE;其他的几个结构体主要包括的属性如下所示：1BMP文件头：文件类型、文件大小、保留位1、保留位2、数据偏移位置。2BMP信息头：此结构大小，图像宽度，图像高度，调色板数量，每个象 素对应的位数 24：24位图 32：带alpha通道的24位图 压缩，图像大小，横向分辨率，纵向分辨率，颜色使用数 ，重要颜色数3材质结构：环境光反射，漫反射，镜面反射，镜面反射强度4光照结构：环境光参数，漫射光参数，镜面光参数，光源位置我在rf.h中主要实现了LoadBmp函数，该函数主要用来完成为星球贴图的功能。函数原形为：void LoadBmp(char *filename, TEXTUREIMAGE *textureImg)我在mf.h中主要定义了mf函数，其中它的函数原形为：void mf(TEXTUREIMAGE textureImg, GLuint * texName)我在draw.h中主要定义了gltDrawSphere函数，其中它的函数原形为：void gltDrawSphere(GLfloat fRadius, GLint iSlices, GLint iStacks)9.1.2 主文件设计首先我初始化了观察点的位置、光照和材质：1观察点的位置初始化static GLdouble viewer= -sin(10*DEG_TO_RAD),10*cos(10*DEG_TO_RAD), -25; 2光照初始化LIGHT light =0.0, 0.0, 0.0, 1.0,/ 环境光参数1.0, 1.0, 1.0, 1.0,/ 漫射光参数1.0, 1.0, 1.0, 1.0,/ 镜面光参数0.0, 0.0, 0.0, 1.0/ 光源位置;3材质初始化（以地球材质的初始化为例）MATERIAL materialEarth = 0.1, 0.1, 0.1, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 100.0;在主文件中包括了如下函数：main，mouse，keyboard，display，ShutdownRC，reshape，init这七个函数。Main函数主要是加载了星球的图片还有一些初始化工作。Mouse函数主要是处理了鼠标控制事件Keyboard 主要是处理了键盘控制事件Display是最主要的函数，它描绘了各个需要显示的图形ShutdownRC函数主要是删除texturesReshape函数主要是不断的更新面板显示来达到一种动画的效果Init函数是openGL的初始化函数完成一些openGL的初始化工作。9.2重要函数实现9.2.1 LoadBmp函数实现1首先我初始化纹理数据结构其中代码如下所示：textureImg-imgWidth = 0;textureImg-imgHeight = 0;if (textureImg-data != NULL)delete textureImg-data;2接着我打开的文件代码如下所示：file = fopen(filename, rb);if (file = NULL)return;3然后我获取了文件头，代码如下所示：rewind(file);fread(&bmpFile, sizeof(BMPFILEHEADER), 1, file);fread(&bmpInfo, sizeof(BMPINFOHEADER), 1, file);4接下来验证文件类型，代码如下所示：if (bmpFile.bfType != 0x4D42)return;5然后获取图像色彩数，代码如下所示：pixel_size = bmpInfo.biBitCount 3;6读取文件数据，代码如下所示：textureImg-data = new unsigned charbmpInfo.biWidth * bmpInfo.biHeight * pixel_size;for(i = 0 ; i bmpInfo.biHeight; i+)fseek(file, bmpFile.bfOffBits + (bmpInfo.biHeight - i - 1) * bmpInfo.biWidth * pixel_size, SEEK_SET);for (j = 0; j data + (i * bmpInfo.biWidth + j) * pixel_size + 2, sizeof(unsigned char), 1, file);/ 绿色分量fread(textureImg-data + (i * bmpInfo.biWidth + j) * pixel_size + 1, sizeof(unsigned char), 1, file);/ 蓝色分量fread(textureImg-data + (i * bmpInfo.biWidth + j) * pixel_size + 0, sizeof(unsigned char), 1, file);/ Alpha分量if (pixel_size = 4)fread(textureImg-data + (i * bmpInfo.biWidth + j) * pixel_size + 3, sizeof(unsigned char), 1, file);7记录图像相关参数，代码如下所示：textureImg-imgWidth = bmpInfo.biWidth;textureImg-imgHeight = bmpInfo.biHeight;textureImg-byteCount = pixel_size;fclose(file); 经过这7步之后我就实现了给星球贴图的功能。9.2.2 display函数实现1设置观察点的位置和观察的方向，代码如下所示：gluLookAt(viewer0,viewer1,viewer2,0,0,0,0,0,1);2获得系统时间使太阳系有动态效果，代码如下所示：g_dCurrentTime = timeGetTime(); g_fElpasedTime = (float)(g_dCurrentTime - g_dLastTime) * 0.001);g_dLastTime = g_dCurrentTime;3申明了各个星球的自转和公转的速度，其中地球的申明如下： static float fEarthSpin = 0.0f;/地球自转速度 static float fEarthOrbit = 0.0f;/地球公转速度4申明了各个星球到太阳的距离，地球的申明如下：static float earthToSun =-7.0;/地球离太阳的距离5建立texture maps，代码如下所示： glEnable(GL_TEXTURE_2D); glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_MODULATE);6设置光源位置，代码如下所示： glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);7设置了各个星球和空间的材质、位置、大小，转速，和纹理，其中以太阳的代码为例，代码如下所示：/*太阳*/ /设置太阳材质glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR,material0.specular); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, material0.ambient); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, material0.diffuse); glMaterialf(GL_FRONT, GL_SHININESS, material0.shininess);glColor3f(1,1,1);/太阳的位置，大小，转速，和纹理glPushMatrix();glRotatef(10,1,0.0,0.0);glRotatef(fSunSpin,0.0,1.0,0.0);glRotatef(90,1,0.0,0.0); mf(sunImg,& textureObjects0); gltDrawSphere(2,200,200); glPopMatrix();glDeleteTextures(1, &textureObjects0);/*/8除了太阳之外，其他的行星都有轨道，我还需要画出每个行星的轨道图来，其中以地球为例代码如下所示。 glBegin(GL_LINE_LOOP);for(angle=0;angle=360;angle+) glVertex3f(earthToSun*sin(DEG_TO_RAD*angle),0, (earthToSun-1)*cos(DEG_TO_RAD*angle);glEnd();10项目运行