杭州电子科技大学《实时三维图形绘制》OpenGL大作业实验报告

实时三维图形绘制实验报告基于粒子系统的雪花场景模拟1、 实验目的通过一学期对实时三维图形绘制的学习，在熟练掌握OpenGL理论的前提下，动手实践，将课本知识转化为实际应用。2、 实验要求编程实现绘制OpenGL场景并可交互式操作，体现课堂所学内容。3、 实验内容1、搭建OpenGL程序框架首先在VS2015中新建项目，在该项目中建立3个主要的类：GLWindow、Keys和GLApplication，其中GLWindow类负责窗口属性的设置，包括建立、更新、删除窗口等操作。Keys类负责读取键盘的输入，这样才能实现交互的要求。GLApplication类负责建立我们的应用程序，包括初始化、更新、绘制图形等操作。（1） 窗口类GLWindow的设计在新建项目中添加类GLWindow，它包括程序主窗口的属性，以及建立、改变和删除窗口的方法（具体程序见代码）。/* windows窗口类 */class GLWindowpublic:/* 构造函数 */GLWindow();/* 创建windows窗口 */boolCreate(const char * window_title, const char * class_name, bool fullscreen,HINSTANCE h_instance, LPVOID lpParam);/* 删除OpenGL窗口 */voidDestroy();/* 改变窗口的显示设置 */boolChangeScreenSetting();/* 当窗口大小改变时，通知OpenGL调整大小 */voidReshapeGL();/* Swap Buffers (Double Buffering) */voidSwapBuffers() :SwapBuffers(m_hDC); /* 设置窗口左上角的位置 */voidSetPosX(int x);voidSetPosX(unsigned short x) SetPosX(signed short)x); voidSetPosY(int y);voidSetPosY(unsigned short y) SetPosY(signed short)y); /* 返回窗口的大小 */intGetWidth();intGetHeight();/* 设置窗口的大小 */voidSetWidth(int width);voidSetHeight(int height);/* 返回窗口左上角的位置 */intGetPosX();intGetPosY();/* 设置窗口的颜色位深 */voidSetHiColor() m_BitsPerPixel = 16; voidSetTrueColor() m_BitsPerPixel = 32; /* 重载运算符，可以让GL_Window m_Window声明后的m_Window作为窗口句柄使用 */operator HWND() return m_hWnd; private:HWNDm_hWnd;/* 窗口句柄 */HDCm_hDC;/* 设备描述表 */HGLRCm_hRC;/* OpenGL渲染描述表 */intm_WindowPosX;/* 窗口的左上角的X位置 */intm_WindowPosY;/* 窗口的左上角的Y位置 */intm_WindowWidth;/* 窗口的宽度 */intm_WindowHeight;/* 窗口的高度 */intm_ScreenWidth; /* 全屏的宽度 */intm_ScreenHeight; /* 全屏的高度 */intm_BitsPerPixel;/* 颜色位深 */bool m_IsFullScreen; /* 是否全屏 */;（2） 键盘类Keys的设计定义键盘类Keys对我们的按键信息进行记录，用于程序达到交互的目的。/* 定义键盘类 */class Keys public:/* 构造函数 */Keys() Clear(); /* 清空所有的按键信息 */void Clear() ZeroMemory(&m_KeyDown, sizeof(m_KeyDown); /* 判断某个键是否按下 */bool IsPressed(unsigned int key) return (key MAX_KEYS) ? (m_KeyDownkey = true) : false; /* 设置某个键被按下 */void SetPressed(unsigned int key) if (key MAX_KEYS) m_KeyDownkey = true; /* 设置某个键被释放 */void SetReleased(unsigned int key) if (key MAX_KEYS) m_KeyDownkey = false; private:static const unsigned int MAX_KEYS = 256;bool m_KeyDownMAX_KEYS; /* 保存256个按键的状态 */;（3） 应用程序类GLApplication的设计类GLApplication为我们的应用程序提供统一的接口，当我们实现不同的程序时不用再从头开始，只要实现其对应的接口方法即可。/* 基本的程序类，继承它用来创建OpenGL程序 */class GLApplicationpublic:/* 创建一个全局的Create函数，这个函数必须被继承类实现 */static GLApplication * Create(const char * class_name);/* 创建你自己的子类 */* 虚析构函数 */virtual GLApplication() ;protected:/* 下面的函数必须被继承类实现，完成基本的OpenGL渲染过程 */virtual boolInit() = 0;/* OpenGL的初始化 */ virtual voidUninit() = 0;/* OpenGL的卸载 */virtual voidUpdate(DWORD milliseconds) = 0; /* 执行OpenGL程序的更新 */virtual voidDraw() = 0; /* 绘制OpenGL场景 */* 通用的函数 */voidToggleFullscreen(); /* 切换 全屏/窗口模式 */voidTerminateApplication(); /* 结束程序 */voidResizeDraw(bool enable) m_ResizeDraw = enable; /* 设置在窗口改变大小的时候，可以绘制 */Keysm_Keys; /* 按键类 */* 构造函数 */GLApplication(const char * class_name);private:/* 程序的主循环 */friend int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow);intMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow);/* 消息处理回调函数 */friend LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam);LRESULTMessage(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam);static const UINT WM_TOGGLEFULLSCREEN = (WM_USER + 1);/* 自定义消息，在切换窗口模式的时候发送 */GLWindowm_Window;/* Window类 */const char* m_ClassName;/* 程序名 */boolm_IsProgramLooping;/* 程序循环标记，如果为false，则退出程序 */bool m_CreateFullScreen; /* 若为true，则创建全屏模式 */boolm_IsVisible;/* 窗口是否可见 */boolm_ResizeDraw;/* 是否在改变大小时，调用了绘制函数 */DWORD m_LastTickCount; /* 上一次计时器的值 */;2、 纹理贴图（1）BMP位图文件的载入BMP格式是windows采用的常见的图像文件存储格式。定义位图类CBMPLoader，实现位图文件的载入。/* 位图载入类 */class CBMPLoader public: CBMPLoader(); CBMPLoader(); bool LoadBitmap(const char *filename); /* 装载一个bmp文件 */ void FreeImage(); /* 释放图像数据 */ bool Load(const char* fileName); /* 载入位图并创建纹理 */ unsigned int ID; /* 生成纹理的ID号 */ int imageWidth; /* 图像宽度 */ int imageHeight; /* 图像高度 */ unsigned char *image; /* 指向图像数据的指针 */;（2） 绘制场景并纹理贴图绘制正方体和球体，并贴图。/* 绘制球体 */void SnowDemo:DrawSphere()glPushMatrix();glTranslatef(3.0f, 0.0f, -10.0f);glRotatef(rot, 1.0f, 1.0f, 1.0f);/* 指定纹理 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2.ID);GLUquadricObj * sphere = gluNewQuadric();gluQuadricOrientation(sphere, GLU_OUTSIDE);gluQuadricNormals(sphere, GLU_SMOOTH);gluQuadricTexture(sphere, GL_TRUE);gluSphere(sphere, 2.5, 50, 50);gluDeleteQuadric(sphere);glPopMatrix();/* 绘制立方体 */void SnowDemo:DrawBox()/* 设置材质属性 */GLfloat mat_ambient = 0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f ;GLfloat mat_diffuse = 0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f ;glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);glPushMatrix();glTranslatef(-5.0f, 0.0f, -10.0f);glRotatef(rot, 1.0f, 1.0f, 0.0f);/* 绘制六个面 */ 前侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f); /* 指定法线指向观察者 */glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, 2.0f);glEnd();/ 后侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 0.0f, -1.0f);/* 指定法线背向观察者 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glEnd();/ 顶面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);/* 指定法线向上 */glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glEnd();/ 底面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture3.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, -1.0f, 0.0f);/* 指定法线朝下 */glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, 2.0f);glEnd();/ 右侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture4.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);/* 指定法线朝右 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, 2.0f);glEnd();/ 左侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture5.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(-1.0f, 0.0f, 0.0f);/* 指定法线朝左 */glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, -2.0f);glEnd();glPopMatrix();3、 位图字体（1）位图字体类显示位图字体需要用到OpenGL显示列表和绘制位图字符的相关知识。定义字体类GLFont./* 定义字体类 */class GLFontpublic: /* 构造函数和析构函数 */GLFont();GLFont(); /成员方法bool InitFont(); /* 初始化字体 */void PrintText(char *string, float x, float y); /* 在(x,y)处输出string内容 */protected:HFONT m_hFont; /* 字体句柄 */;4、 粒子系统设计（1） 粒子的结构粒子的结构定义了粒子的位置、速度、加速度、生命时间值、消失掉速度、尺寸以及颜色等信息。在定义这个结构后我们就可以在具体程序中对这些值进行设置、更新等操作。/* 粒子结构 */struct ParticleVector3 position; /* 粒子的位置 */Vector3 velocity; /* 粒子的速度 */Vector3 acceleration; /* 粒子的加速度 */float lifetime; /* 粒子生命值 */float dec; /* 粒子消失的速度 */float size; /* 粒子尺寸 */float color3; /* 粒子的颜色 */;（2） 粒子类在粒子系统类中封装一些共有属性和操作，包括粒子的数目，初始化函数、更新函数等。这样对于具体的粒子系统就可以从该类中继承，重载实现这些接口，就可以创造出不同的实际效果。/* 粒子类 */class CParticlepublic:CParticle(); /* 构造函数 */virtual CParticle(); /* 析构函数 */* 粒子的初始化 */virtual bool Init(int _num);/* 粒子的渲染 */virtual void Render() = 0;/* 粒子的更新 */virtual void Update() = 0;protected:int m_iNum; /* 粒子总数目 */Particle* m_pList; /* 粒子指针 */;（3） 粒子系统模拟雪花由粒子系统类CParticle派生雪花类。/* 雪花渲染类 */class CSnow : public CParticlepublic:CSnow() ;CSnow() ;boolInit(int num ); /* 初始化过程 */voidRender(); /* 渲染过程 */voidUpdate(); /* 更新过程 */private:CBMPLoader m_texture; /* 粒子的纹理 */; 4、 实验结果本次实验主要绘制了一个雪花粒子场景，其中有正方体和球体，还有飞舞的变色文字。通过按住空格键来实现正方体和球体的旋转，按F1键来实现半透明场景的展现。（1）主程序/* 从GL_Application派生出一个子类 */class SnowDemo : GLApplicationpublic:boolInit();/* 执行所有的初始化工作 */voidUninit();/* 执行所有的卸载工作 */voidUpdate(DWORD milliseconds);/* 执行所有的更新操作 */voidDraw();/* 执行所有的绘制操作 */bool LoadTexture(); /* 载入纹理 */void DrawSphere(); /* 绘制球体 */void DrawBox(); /* 绘制正方体 */private:friend class GLApplication;/* 父类为它的一个友元类 */SnowDemo(const char * class_name); /* 构造函数 */* 用户自定义的程序变量 */ CSnow m_Snow; /* 雪花实例 */GLFont m_Font; /* 字体类 */CBMPLoader texture6; /* 位图载入类 */CBMPLoader texture2; /* 位图载入类 */float rot; /* 用于旋转物体 */float cnt1; /* 字体移动计数器1 */float cnt2; /* 字体移动计数器2 */;/* 创建一个程序的实例 */GLApplication * GLApplication:Create(const char * class_name)SnowDemo * demo = new SnowDemo(class_name);return reinterpret_cast(demo);/* 构造函数 */SnowDemo:SnowDemo(const char * class_name) : GLApplication(class_name) / 初始化用户自定义的程序变量rot = 0.0;cnt1 = 0.0;cnt2 = 0.0; bool SnowDemo:LoadTexture()/* 载入位图文件 */if (!texture0.Load(image1.bmp) | !texture1.Load(image2.bmp) | !texture2.Load(image3.bmp) | !texture3.Load(image4.bmp) | !texture4.Load(image5.bmp) | !texture5.Load(image6.bmp) /* 载入位图文件 */MessageBox(NULL, 装载位图文件失败！, 错误, MB_OK); /* 如果载入失败则弹出对话框 */return false;if (!texture2.Load(image.bmp)MessageBox(NULL, 装载位图文件失败！, 错误, MB_OK);/* 启用纹理映射 */glEnable(GL_TEXTURE_2D);return true;/* 初始化OpenGL */bool SnowDemo:Init()/* 用户自定义的初始化过程 */glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f);glClearDepth(1.0f);glDepthFunc(GL_LEQUAL);glEnable(GL_DEPTH_TEST);glShadeModel(GL_SMOOTH);glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST);ResizeDraw(true); /* 载入纹理 */if (!LoadTexture()MessageBox(NULL, 载入纹理失败!, 错误, MB_OK);/* 初始化字体 */if(!m_Font.InitFont()MessageBox(NULL,初始化字体失败!,错误,MB_OK);/* 初始化雪花实例 */if(!m_Snow.Init(400)MessageBox(NULL,雪花系统初始化失败!,错误,MB_OK);exit(-1);return true; /* 用户自定义的卸载函数 */void SnowDemo:Uninit()/* 程序更新函数 */void SnowDemo:Update(DWORD milliseconds)if (m_Keys.IsPressed(VK_ESCAPE) = true)/* 按ESC退出 */TerminateApplication();if (m_Keys.IsPressed(VK_SPACE) = true) /* 按空格键开始旋转 */rot += milliseconds / 20.0;cnt1 += milliseconds / 1500.0; /* 更新计数器值 */cnt2 += milliseconds / 1000.0; /* 更新计数器值 */* 绘制球体 */void SnowDemo:DrawSphere()glPushMatrix();glTranslatef(3.0f, 0.0f, -10.0f);glRotatef(rot, 1.0f, 1.0f, 1.0f);/* 指定纹理 */glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2.ID);GLUquadricObj * sphere = gluNewQuadric();gluQuadricOrientation(sphere, GLU_OUTSIDE);gluQuadricNormals(sphere, GLU_SMOOTH);gluQuadricTexture(sphere, GL_TRUE);gluSphere(sphere, 2.5, 50, 50);gluDeleteQuadric(sphere);glPopMatrix();/* 绘制立方体 */void SnowDemo:DrawBox()/* 设置材质属性 */GLfloat mat_ambient = 0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f ;GLfloat mat_diffuse = 0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f ;glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);glPushMatrix();glTranslatef(-5.0f, 0.0f, -10.0f);glRotatef(rot, 1.0f, 1.0f, 0.0f);/* 绘制六个面 */ 前侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);/* 指定法线指向观察者 */glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, 2.0f);glEnd();/ 后侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 0.0f, -1.0f);/* 指定法线背向观察者 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glEnd();/ 顶面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);/* 指定法线向上 */glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glEnd();/ 底面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture3.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(0.0f, -1.0f, 0.0f);/* 指定法线朝下 */glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-2.0f, -2.0f, 2.0f);glEnd();/ 右侧面glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture4.ID);glBegin(GL_QUADS);glNormal3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);/* 指定法线朝右 */glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(2.0f, -2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, -2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(2.0f, 2.0f, 2.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.