计算机图形学课程设计完本.doc
中文摘要本次课程设计采用OpenGL来完成。OpenGL是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。本次课程设计是在win7系统下VC+6.0中的win32环境中,通过使用OpenGL所提供的标准库函数，综合图形学里的坐标转换，投影变换，光照以及纹理等知识，实现一个简单的太阳系的运行状况。该系统仅做演示使用，将只包括太阳，地球与月亮，并且不保证相关数据的设定准确性。目录一、课程设计任务及要求1二、需求分析1三、系统设计1四、详细设计24.1 初始化的设定24.2 光源的位置与观察位置的设定34.3 纹理映射的设置34.4 各星球球体的绘制54.5 星球公转轨道74.6 人机交互式的实现8五、运行调试与分析讨论95.1 程序运行截图95.2 结果分析10六、设计体会与小结11七、参考文献12第 16 页一、课程设计任务及要求1. 利用OpenGL创建太阳，地球，月亮三个球体。2. 实现“月亮绕着地球转，地球绕着太阳转”。3. 为太阳，地球，月亮附上不同的纹理。4. 具有较好的动画效果，消除闪烁现象。5. 其他功能的添加。二、需求分析本次课程设计使用的编译软件为Visual C+ 6.0。设计中通过调用OpenGL函数库以来完成太阳，月亮，地球的球体绘制与纹理的加载，通过矩阵的变换以实现星球的运动效果。从而模拟出太阳系的运行效果动画。在之后，加入星球的轨道轨迹，使得模拟系统3D效果更加明显。并加入人机交互操作。通过“q,w,e,s,a,d”键来调整观察视角，可以实现全方位对此系统进行观察，使系统具有一定的可操作性。三、系统设计本次课题为:实现太阳系运行动画。系统设计步骤为:1.太阳，地球，月亮三个球体的创建。2.利用坐标矩阵变换表示出三个球体之间的关系，即：地球绕着太阳转，月亮绕着地球转。3.增加光源，材质，选择好视角与窗口裁剪尺寸。4.设计太阳，地球，月亮的纹理映射。5.增加太阳，地球，月亮的自传。6.增加地球与月亮的旋转轨道。7.人机交互式操作的设定。系统程序流图如下：图3-1系统流程图四、详细设计4.1 初始化的设定思路:将需要使用的OpenGL库中的函数进行初始化，例如：光源，材质，绘图函数等。详细代码如下:void Initial() GLfloat light_diffuse=1.0f,1.0f,1.0f,1.0f; /材质设置 GLfloat light_ambient=0.0f,0.5f,0.5f,1.0f; glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,light_diffuse); glLightfv(GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,light_ambient); glEnable(GL_DEPTH_TEST); / 启用深度测试 glFrontFace(GL_CCW); / 指定逆时针绕法表示多边形正面 g_text = gluNewQuadric();/创建2次几何体gluQuadricTexture(g_text,GL_TRUE);/可以加载贴图glEnable(GL_TEXTURE_2D); /开启纹理4.2 光源的位置与观察位置的设定思路:利用OpenGL库函数 glLightfv()对光源的位置进行设定，用函数gluLookAt()对视角观察位置进行设置。详细代码为下:/设置光源的位置GLfloat position = 1.0f, 1.0f, 1.5f, 0.0f ;glLightfv (GL_LIGHT1, GL_POSITION, position);gluLookAt(c,a,b,0,0,-30,0,1,0); /观察角度其中光源设置为方向光源，函数gluLookAt()中的函数包括三对坐标（从左到右），可理解为：第一对参数为人体脑袋所在位置（x,y,z）,第二对参数为眼睛所看的位置(x,y,z),第三对参数表示为脑袋所朝向的位置，为向量坐标。其中的“c,a,b”可通过键盘的设定改变值，从而使得观察视角可以进行移动，此功能在下面有介绍。4.3 纹理映射的设置思路:利用函数LoadBMP()确认是否存在图片所在的文件夹，再利用函数LoadGTextures()将图片加载成纹理,存储在数组texture中。函数代码为:AUX_RGBImageRec *LoadBMP(char *Filename)FILE *File=NULL;if (!Filename) / 确保文件名已提供。return NULL; / 如果没提供，返回 NULLFile=fopen(Filename,"r");if (File) / 文件存在么?fclose(File); / 关闭句柄return auxDIBImageLoad(Filename); /载入位图并返回指针return NULL;int LoadGLTextures(char *Filename) /a=255;int Status=FALSE; AUX_RGBImageRec *TextureImage3;memset(TextureImage,0,sizeof(void *)*1); if (TextureImage0=LoadBMP(Filename)Status=TRUE;glGenTextures(1, &texture0);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3,TextureImage0->sizeX, TextureImage0->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, TextureImage0->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); if (TextureImage0) / 纹理是否存在/a=255;if (TextureImage0->data) / 纹理图像是否存在free(TextureImage0->data); / 释放纹理图像占用的内存free(TextureImage0); / 释放图像结构return Status;在绘制星球前，直接调用函数LoadTextures(“图片所在位置”)，加载的图片将成为纹理,存储在texture0中,启用纹理后,绘制出来的图形将被附上当前纹理。4.4 各星球球体的绘制设定自转轴:即在绘图区进行移动前设定图形绕轴旋转，便可形成星球的自转。设定公转轴:移动绘图区，通过移动的距离与设定图形绕轴旋转，即形成星球公转。导入纹理:通过LoadGLTextures()函数加载图片,编程纹理存储在texture0，再通过函数glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0)将当前纹理设置成texture0所存储的纹理，即可加载所需的图片。绘制球体:加载函数gluSphere()设定半径大小与图像细腻度绘制出要求的图形。详细代码入下: /绘制太阳 glRotatef(fElect3, 0.0f, 1.0f, 0.0f); /太阳的自转设置glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0);LoadGLTextures("tex/1.bmp");glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0); glColor3f (255, 0.0f, 0.0f); gluSphere(g_text,18, 128, 128);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);glDisable(GL_LIGHTING); glPushMatrix();/绘制地球 glEnable(GL_LIGHT1);glRotatef(fElect1-fElect3, 0.0f, 1.0f, 0.0f); /地球的公转设置glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);LoadGLTextures("tex/2.bmp");glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0);glTranslatef(50.0f, 0.0f, 0.0f);/平移一段距离 glRotatef(fElect3, 0.0f, 1.0f, 0.0f);/地球自转设置gluSphere(g_text,9, 64, 64);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0); /绘制月亮 glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);LoadGLTextures("tex/3.bmp"); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0); glRotatef(fElect2-fElect3, 0.0f, 1.0f, 0.0f); /月亮公转 glTranslatef(-10.0f, 0.0f, 0.0f);glRotatef(fElect3, 1.0f, 1.0f, 0.0f); /月球自转gluSphere(g_text,2, 64, 64); fElect2 += 30.0f; if(fElect2 > 360.0f) fElect2 = 10.0f; glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0) ; glPopMatrix(); / 增加旋转步长形成动画 fElect1 += 5.0f; if(fElect1 > 360.0f) fElect1 = 10.0f; fElect3 +=13.0f;if(fElect3 > 360.0f) fElect3 = 10.0f; glutSwapBuffers(); /取消闪烁最后一个函数glutSwapBuffers()的引用是为了取消图像的闪烁现象。通过增加星球的旋转步长以实现星球运动的动画,旋转步长的设置影响了星球的旋转速度。在实现不同星球的公转时候，需要注意上个星球的绘制是否对这次绘制有影响，在本次设计中，由于设置了星球的自转，因此在进行星球公转设置的时候应该对围绕的星球的自转形成的影响进行抵消。4.5 星球公转轨道思路:星球公转轨道的绘制利用直线的绘制来完成，将轨道分成36段直线，即360度，每段为10度，因为已经设定了星球公转的半径，因此36段直线的顶点很好确定。详细代码：/地球轨道glBegin(GL_LINE_STRIP); for(intangle=0;angle<=360;angle+) glVertex3f(50*sin(3.1415926*angle/180),0,50*cos(3.1415926*angle/180);glEnd();/月亮轨道的绘制glBegin(GL_LINE_STRIP); for(angle=0;angle<=360;angle+) glVertex3f(-10*sin(3.1415926*angle/180),0,-10*cos(3.1415926*angle/180);glEnd();在本次设计中将轨道设置成圆弧形，并且的取值为近似值3.1415926，因此在轨道的计算时将会出现必然的误差，但在视觉上不会出现太大的问题。4.6 人机交互式的实现本次设计中加上了键盘按键qweasd的操作功能，对视角进行改变，即改变上面介绍过的函数gluLookAt()中的参数，使得视角变成动态。详细代码设置:void keyboard(unsigned char key,int x,int y) /键盘设置函数switch(key)case 'w':a+=20;break;/y轴坐标变化case 's':a-=20;break;case 'a':b-=10;break;/z轴坐标变化case 'd':b+=10;break;case 'q':c+=20;break;/x轴坐标变化case 'e':c-=20;break;通过不停进行按键，改变视角坐标值。按紧某一个键可形成一定漫游的效果。此函数需要在main()中通过glutKeyboardFunc(keyboard)进行调用。五、运行调试与分析讨论5.1 程序运行截图 图5-1太阳显示效果图 图5-2地球显示效果与公转轨道图图5-3月亮显示效果与公转轨道 图5-4 程序运行界面图 图5-5 交互操作俯视图 图5-6 交互操作侧视图5.2 结果分析程序经过测试，运行流畅，基本满足了课程设计任务的要求，实现了太阳系的模拟。太阳，地球，月亮纹理加载成功。太阳，地球，月球的自转实现成功，地球与月球的公转与公转轨道成功在屏幕显示。通过键盘键位qweasd能成功对视角进行转换。但是由于对于OpenGL的不熟悉，对于太阳，地球，月球的材质设置未作要求，采用统一的材质，并且对于光源设置以及其他的一些函数功能不够熟悉，使得最终的显示图像并不完美。此次设计只加入了键盘的键位操作，为加入鼠标的功能，并且通过键盘实现的功能，即：视角的转换，并不完善，出现了一些问题。在有条件的状况下，应该更加深刻的对此次OpenGL中的使用的一些函数进行理解与转化，从而能有清晰的思路变化其中的函数参数，使得界面呈现的更加美观，并能加入更多的人机交互操作功能，而不仅仅限于几个键位的操作，这样能增加程序的趣味性。六、设计体会与小结在本次课程设计中，由于初学OpenGL，对于其中的一些函数的引用不熟练，导致严重延误了代码的进程，使得无法实现更多的功能。例如本次设计中的纹理映射，利用gluSolidSphere()函数绘制实心圆是无法加载纹理的，而我使用的绘制球体的函数正是这个函数，查阅了大量书上与网上的资料，问题仍然未得到解决，从而延误了大量的时间，使得工程无法往下进行。在此谢谢教师在百忙中抽空查看了我的代码，并进行了修改，使得纹理映射能够顺利完成。此间代码的问题在于，2维纹理映射的开关并未打开，因此是不能加载纹理的。将纹理映射开关在初始化函数中打开，并将绘制球体的函数调换成gluSphere()后，纹理成功加载，卡了我两天的问题得到了解决。通过本次课程设计，通过初步阅读OpenGL教程，OpenGL指南等书，初次使用了OpenGL进行程序的编写，与MFC绘图进行对比，感受到了OpenGL对于2D，3D图形绘制的便利。在本次课程设计中，学会了如何实现图形的旋转变化以及初步的光源设置与视角的设置，并通过纹理映射能将图片成功加载到所画的图形上，形成相对逼真的3D图形以及动画效果。从这次设计中，更加深刻学得了相机视口的变化多样所收到不同的观察效果，因此对于矩阵的变换的应用有了新的认识，多个矩阵的变换的融合使得图形呈现不同的动态，如同抗着摄像机在星空漫游，镜头所拍的画面即为我们所看到的画面。本次课程设计过程中，虽然遇到不少的困难，但是最终得到的结果还是比较好的。从这次课设中收到了来自教师与同学的不少帮助，在此向你们表示感谢，没有你们的帮助，课设完成不可能来的这么的顺利。七、参考文献1陆枫 何云峰.计算机图形学基础(第二版)M.电子工业出版社2Jeff Molofee.Jeff Molofee的OPENGL教程M.3张曦煌 杜俊俐. 计算机图形学M. 北京邮电大学出版社.
