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1、精选优质文档-倾情为你奉上计算机图形学课程设计报告组 号：第 七 组小组成员：宋 洁 邵 海 军 谷 文 海 冯 新 科学 院：资源环境学院专业班级：地 科 14 - 2指导老师：向 中 林2016.12.18目录专心-专注-专业1实习目的课程设计是信息与计算科学专业集中实践性环节之一，是学习完计算机图形学课程后进行的一次全面的综合练习。其目的是：（1）要达到理论与实际应用相结合，使学生能够根据数据对象的特性，学会数据组织的方法，能把现实世界中的实际问题在计算机内部表示出来，并培养良好的程序设计技能。 （2）在实践中认识为什么要学习数据结构，掌握数据结构、程序设计语言、程序设计技术之间的关系，
2、是前面所学知识的综合和回顾。 要求 （1）了解并掌握交互式图形系统的设计方法，具备初步的独立分析和设计能力； （2）初步掌握软件开发过程的问题分析、系统设计、程序编码、测试等基本方法和技能； （3）提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能；（4）训练用系统的观点和软件开发一般规范进行软件开发，培养软件工作者所应具备的科学的工作方法和作风；(5)培养学生团结协作，共同完成相关课题的能力。2 课程设计题目人机交互系统三维图形处理及动画实现2.1 题目要求及内容2.1.1 要求创建三维立体图形，通过创建菜单及键盘、鼠标事件实现对图形的人机交互式处理 。在理解直线、圆、区域填充、图形裁剪
3、等理论知识的基础上，借助于程序设计语言VC+和OpenGL三维图形库进行小型图形应用软件或三维场景的开发。本课程课程设计注重图形交互处理的主要实现，包括如下几部分：三维立体图形人机交互的处理，主要内容包括以下几点：（1）创建菜单及键盘事件实现对图形的基本处理；（2）平移、缩放、旋转等计算机图形的几何变换 ；（3）图形的裁剪；（4）平面投影和透视投影；（5）消隐和光照处理；（6）动画的绘制及实现。附：二维图形的绘制主要内容包括以下几点：（1）点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元的的绘制；（2）点、线、圆、多边形、Bezier曲线等计算机基本图元属性的设置。2.1.2 内容分析定义
4、三维齐次坐标结构和面的结构；定义各图形绕轴旋转的结构及各坐标轴的放缩结构；定义各个光源的属性及材质表面的属性；定义键盘输入及鼠标输入对应响应的事件；定义各菜单对应执行的响应事件；通过双缓存技术实现动画效果。2.2 实习原理2.2.1 人机交互人机交互主要包括鼠标输入、键盘输入以及创建菜单执行对应的处理事件，其基本原理如下：鼠标：1）检测鼠标ClicksGLUT为处理鼠标clicks事件提供了一个方法。函数glutMouseFunc，这个函数一般在程序初始化阶段被调用。函数原型如下：void glutMouseFunc(void(*func)(int button,int state,int x
5、,int y);参数：func：处理鼠标click事件的函数的函数名。从上面可以看到到，处理鼠标click事件的函数，一定有4个参数。第一个参数表明哪个鼠标键被按下或松开，这个变量可以是下面的三个值中的一个：GLUT_LEFT_BUTTONGLUT_MIDDLE_BUTTONGLUT_RIGHT_BUTTON第二个参数表明，函数被调用发生时，鼠标的状态，也就是是被按下，或松开，可能取值如下：GLUT_DOWNGLUT_UP当函数被调用时，state的值是GLUT_DOWN，那么程序可能会假定将会有个GLUT_UP事件，甚至鼠标移动到窗口外面，也如此。然而，如果程序调用glutMouseFunc
6、传递NULL作为参数，那么GLUT将不会改变鼠标的状态。剩下的两个参数（x,y）提供了鼠标当前的窗口坐标（以左上角为原点）。2）检测动作（motion）GLUT提供鼠标motion检测能力。有两种GLUT处理的motion：active motion和passive motion。Active motion是指鼠标移动并且有一个鼠标键被按下。Passive motion是指当鼠标移动时，并有没鼠标键按下。如果一个程序正在追踪鼠标，那么鼠标移动期间，每一帧将产生一个结果。GLUT让我们可以指定两个不同的函数，一个追踪passive motion，另一个追踪active motion。它们的函数原
7、型，如下：void glutMotionFunc(void(*func)(int x,int y);void glutPassiveMotionFunc(void (*func)(int x,int y);参数：Func：处理各自类型motion的函数名。处理motion的参数函数的参数（x,y）是鼠标在窗口的坐标。以左上角为原点。3）检测鼠标进入或离开窗口GLUT还能检测鼠标鼠标离开，进入窗口区域。一个回调函数可以被定义去处理这两个事件。GLUT里，调用这个函数的是glutEntryFunc,函数原型如下：void glutEntryFunc(void(*func)（int state）);
8、参数：Func：处理这些事件的函数名。上面函数的参数中，state有两个值：GLUT_LEFTGLUT_ENTERED表明，是离开，还是进入窗口。 键盘：当你按下一个键后，GLUT提供了两个函数为这个键盘消息注册回调。1）第一个是glutKeyboardFunc。这个函数是告诉窗口系统，哪一个函数将会被调用来处理普通按键消息。普通键是指字母，数字，和其他可以用ASCII代码表示的键。函数原型如下：void glutKeyboardFunc(void(*func)(unsigned char key,int x,int y);参数：func: 处理普通按键消息的函数的名称。如果传递NULL，则表
9、示GLUT忽略普通按键消息。这个作为glutKeyboardFunc函数参数的函数需要有三个形参。第一个表示按下的键的ASCII码，其余两个提供了，当键按下时当前的鼠标位置。鼠标位置是相对于当前客户窗口的左上角而言的。2）GLUT提供函数glutSpecialFunc以便当有特殊键按下的消息时，你能注册你的函数。函数原型如下：void glutSpecialFunc(void (*func)(int key,int x,int y);参数：func: 处理特殊键按下消息的函数的名称。传递NULL则表示GLUT忽略特殊键消息。菜单：弹出式菜单（像点鼠标右键出来的菜单那样的）也是GLUT的一部分，
10、虽然它不能实现我们经常看到的windows系统弹出式菜单的所有的功能，但是它也有很大的作用。给一个程序增加菜单提供了一个比键盘更简单的方法来和程序交互，选择不同选项，而不用去记那些按键。1）创建菜单：创建菜单函数glutCreateMenu的原型如下：int glutCreateMenu（void （*func）（int value）；参数：func：为新建的菜单处理菜单事件的函数名。这个函数的返回值是菜单的标识符（menu identifier）。2）菜单增加条目：出来个空菜单也没什么用，使用的函数是glutAddMenuEntry：void glutAddMenuEntry（char *n
11、ame，int value）；参数：name：菜单名称的字符串。value：当你选择菜单里的一项后，这个值就返回给上面的glutCreateMenu里调用的函数。3）联接鼠标：必须指定菜单怎么出现，使用GLUT你可以在按下一个鼠标按键后让菜单显示，函数是glutAttachMenu：void glutAttachMenu（int button）；参数：button: 一个整数，指定菜单和哪个鼠标键关联起来。botton 可以去下面的值;GLUT_LEFT_BUTTONGLUT_MIDDLE_BUTTONGLUT_RIGHT_BUTTON用glutAttachMenu来在鼠标和菜单间建立关联，但
12、我们有时候需要断开这种关联。完成这个工作的函数是glutDetachMenu。函数原型如下：void glutDetachMenu（int button）；参数：button：要断开的鼠标按键。Button的取值和glutAttachMenu一样。最后，如果你想恢复被菜单使用了的资源，我们可以销毁（destroy）它，相应的函数是glutDestroyMenu，它的原型如下：void glutDestroyMenu（int menuIdentifier）；参数：menuIdentifier：要销毁的菜单的标识符，它必须和函数glutCreateMenu返回的值相同。4）子菜单的建立：和我们前面
13、用的建立菜单的函数一样。建立菜单后我们把子菜单作为一个条目添加进去。使用函数glutAddSubMenu来完成这项工作：void glutAddSubMenu(char *entryName，int menuIndex)；参数：entryName：子菜单名称。menuIndex：子菜单索引，这个就是我们调用glutCreateMenu来创建子菜单返回的值。2.2.2 动画计算机动画与实际的动画有些不同，实际的动画都是先画好，播放的时候直接显示出来，计算机动画则是一边画一边显示，通过双缓存技术将后台绘制好的图形与前台图形交换，这样循环反复，屏幕上便呈现出我们所看到的动画。计算机实现动画主要启动双
14、缓冲功能，在主函数里启用双缓冲：glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);当每次绘制完成时，我们需要交换两个缓冲区，把绘制好的信息显示到屏幕。为了完成这一工作，我们在绘图函数里调用glutSwapBuffers()便很好的实现了动画前台与后台的光滑交换显示，达到了动画效果。2.2.3 几何变换 2.2.3.1 二维几何图形变换对于几何变换主要通过与变换矩阵的矩阵运算改变顶点坐标（用齐次坐标）来实现： 例如:（1） 放缩：（2） 旋转：（3） 关于x轴对称： （4） 关于原点对称： （5） 沿X轴方向的错切变换： 2.2.3
15、.2 三维几何图形变换:三维几何图形变换原理同二维几何图形变换，只是采用的变换矩阵为44矩阵，空间点x y z 采用四维齐次坐标 X Y Z 1表示。2、OpenGL环境下的几何变换基本变换函数：（1）平移矩阵构造函数为glTranslate(tx, ty, tz)，作用是把当前矩阵和一个表示移动物体的矩阵相乘。tx, ty，tz指定这个移动物体的矩阵，它们可以是任意的实数值，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double），对于二维应用来说，tz=0.0。（2）旋转矩阵构造函数为glRotate(theta, vx, vy, vz)，作用是把当前矩阵和一个表示旋转物体的矩阵相乘
16、。theta, vx, vy, vz指定这个旋转物体的矩阵，物体将绕着(0,0,0)到(x,y,z)的直线以逆时针旋转，参数theta表示旋转的角度。向量v=(vx, vy，vz)的分量可以是任意的实数值，该向量用于定义通过坐标原点的旋转轴的方向，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double），对于二维旋转来说，vx=0.0，vy=0.0，vz=1.0。（3）缩放矩阵构造函数为glScale(sx, sy, sz)，作用是把当前矩阵和一个表示缩放物体的矩阵相乘。sx, sy，sz指定这个缩放物体的矩阵，分别表示在x,y,z方向上的缩放比例，它们可以是任意的实数值，当缩放参数为负
17、值时，该函数为反射矩阵，缩放相对于原点进行，后缀为f（单精度浮点float）或d（双精度浮点double）。假设当前矩阵为单位矩阵，然后先乘以一个表示旋转的矩阵R，再乘以一个表示移动的矩阵T，最后得到的矩阵再乘上每一个顶点的坐标矩阵v。那么，经过变换得到的顶点坐标就是(RT)v)。由于矩阵乘法满足结合率，(RT)v) = R(Tv)，换句话说，实际上是先进行移动，然后进行旋转。即：实际变换的顺序与代码中写的顺序是相反的。由于“先移动后旋转”和“先旋转后移动”得到的结果很可能不同，初学的时候需要特别注意这一点。由于模型变换都通过矩阵运算来实现，在进行变换前，应先设置当前操作的矩阵为“模型视图矩阵
18、”。设置的方法是以GL_MODELVIEW为参数调用glMatrixMode函数，像这样：glMatrixMode(GL_MODELVIEW);该语句指定一个44的建模矩阵作为当前矩阵。通常，我们需要在进行变换前把当前矩阵设置为单位矩阵。把当前矩阵设置为单位矩阵的函数为：glLoadIdentity();我们在进行矩阵操作时，有可能需要先保存某个矩阵，过一段时间再恢复它。当我们需要保存时，调用glPushMatrix（）函数，它相当于把当前矩阵压入堆栈。当需要恢复最近一次的保存时，调用glPopMatrix（）函数，它相当于从堆栈栈顶弹出一个矩阵为当前矩阵。OpenGL规定堆栈的容量至少可以容
19、纳32个矩阵，某些OpenGL实现中，堆栈的容量实际上超过了32个。因此不必过于担心矩阵的容量问题。通常，用这种先保存后恢复的措施，比先变换再逆变换要更方便，更快速。注意：模型视图矩阵和投影矩阵都有相应的堆栈。使用glMatrixMode来指定当前操作的究竟是模型视图矩阵还是投影矩阵。OpenGL环境下三维图形变换相关函数：（1）glMatrixMode(GLenum mode) /设置当前矩阵类型（2）glLoadMatrixfd(const TYPE *m)/用指定的矩阵替换当前矩阵（3）glLoadIdentity(void)/用单位矩阵替换当前矩阵（4）glMultMatrixfd(c
20、onst TYPE *m) /用当前矩阵去乘*m所指定的矩阵，并将结果存放与*m中（5）glTranslatefd(TYPE x,TYPE y,TYPE z)/平移变换函数（6）glRotatefd(TYPE angle,TYPE x,TYPE y,TYPE z)/旋转变换函数（7）glScalefd(TYPE x,TYPE y,TYPE z)/缩放和反射变换函数（8）glPushMatrix(void); glPopMatrix(void);/堆栈操作函数3 主要流程图3.1 三维图形处理流程图程序开始恢复初始矩阵绘制图形重置当前矩阵顺时针旋转键盘？否Y执行菜单？y逆时针旋转是环境设置视图设
21、置几何变换恢复启动光照旋转XOZ面XOY面关闭光照缩小放大移动重置当前视点重置当前矩阵图3-1 三维图形处理流程图程序开始3.2 二维几何画板流程图打开菜单？是颜色设置绘图清除画板重置颜色绘制图形清空颜色图3-2 二维几何画板流程图4 主要源程序4.1 主要源程序程序主要由绘制图形、创建菜单、添加光照、几何变换及视点等基本功能组成，程序实现由以下几个基本图形绘制程序：void myDisplay(void)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glPushMatrix();glTranslated(0, 0, -60);立方体()
22、;球();月亮();路面();仓库(); 房子();太阳();行星();天桥();glPopMatrix();glFlush();glutSwapBuffers();视点设置：gluLookAt(-1, -1, 1, -1, 1, 1, 0, 0, 1); /XOZ面gluLookAt(-1, -1, 1, -1, -1, 0, 0, 1, 0); /XOY面光照设置：glEnable(GL_LIGHTING); /启动光照glDisable(GL_LIGHTING); /关闭光照注册鼠标事件：glutMotionFunc(myMouseMotion_旋转);glutMotionFunc(my
23、MouseMotion_移动);glutMouseFunc(myMouse_放大);glutMouseFunc(myMouse_缩小);主函数：int main(int argc, char *argv)glutInit(&argc, argv);glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);glutInitWindowPosition(300, 50);glutInitWindowSize(winWidth, winHeight);glutCreateWindow(计算机图形处理课程设计三维图形处理);init();init
24、1();glutDisplayFunc(&myDisplay);glutReshapeFunc(Reshape);createGLUTMenus();glutKeyboardFunc(keyboard);glutIdleFunc(&myAnimate);/设置全局空闲回调函数glutMainLoop();return 0;图4-1 三维图形处理运行初始图形4.2.1 键盘事件函数void keyboard(unsigned char key, int x, int y)switch (key)case y: year = (year + 1) % 360;if (year = 2 * (int
25、)(acos(185.0 / 395.0) * 180 / PI)year = -year;glutPostRedisplay(); break;case Y: year = (year - 1) % 360;if (year = -2 * (int)(acos(185.0 / 395.0) * 180 / PI)year = -year;glutPostRedisplay(); break;default:break;图4-2键盘事件运行图4.2.2 菜单4.2.2.1 创建菜单函数void processMenuEvents(int option)switch (option)case 恢
26、复:glutMouseFunc(NULL);glutMotionFunc(NULL);glDisable(GL_LIGHTING);init1();break;case 旋转:glutMouseFunc(NULL);glutMotionFunc(myMouseMotion_旋转); break;case 移动:glutMouseFunc(NULL);glutMotionFunc(myMouseMotion_移动); break;case 启动光照:glEnable(GL_LIGHTING); break;case 关闭光照:glDisable(GL_LIGHTING); break;case
27、放大:glutMotionFunc(NULL);glutMouseFunc(myMouse_放大); break;case 缩小:glutMotionFunc(NULL);glutMouseFunc(myMouse_缩小); break;case XOZ面:glLoadIdentity();gluLookAt(-1, -1, 1, -1, 1, 1, 0, 0, 1); break;case XOY面:glLoadIdentity();gluLookAt(-1, -1, 1, -1, -1, 0, 0, 1, 0); break;default:break;void createGLUTMen
28、us()int menu,submenu1, submenu2, submenu3;submenu1 = glutCreateMenu(processMenuEvents);glutAddMenuEntry(启动光照, 启动光照);glutAddMenuEntry(关闭光照, 关闭光照);submenu2 = glutCreateMenu(processMenuEvents);glutAddMenuEntry(旋转, 旋转);glutAddMenuEntry(移动, 移动);glutAddMenuEntry(放大, 放大);glutAddMenuEntry(缩小, 缩小);submenu3 =
29、 glutCreateMenu(processMenuEvents);glutAddMenuEntry(XOZ面, XOZ面);glutAddMenuEntry(XOY面, XOY面);menu = glutCreateMenu(processMenuEvents);glutAddSubMenu(环境设置, submenu1);glutAddSubMenu(几何变换, submenu2);glutAddSubMenu(视图设置, submenu3);glutAddMenuEntry(恢复, 恢复);glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);图4-3 创建菜单运行图4.
30、2.2.2 光照函数void init()GLfloat light1_ambient = 0.0f, 0.2f, 0.0f, 1.0 ; GLfloat light1_diffuse = 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 ; GLfloat light1_specular = 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 ; GLfloat light1_position = -350.0, -250.0, 230.0, 1.0 ; GLfloat light2_ambient = 0.0f, 0.0f, 0.2f, 1.0 ; GLfloat light2_diffuse = 0.0, 0.0
31、, 1.0, 1.0 ; GLfloat light2_specular = 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 ; GLfloat light2_position = 350.0, -250.0, 230.0, 1.0 ; GLfloat light3_ambient = 0.2f, 0.0f, 0.1f, 1.0 ; GLfloat light3_diffuse = 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 ; GLfloat light3_specular = 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 ; GLfloat light3_position = 0.0, 250.0, 230.0,
32、 1.0 ; GLfloat spot0_direction = 0.0,0.0,-200.0 ;GLfloat spot3_direction = 0.0,-250.0,-200.0 ;glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR, light1_specular);glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);glLigh
33、tf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 120.0); glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 2.5); glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION, spot0_direction); glLightfv(GL_LIGHT2, GL_AMBIENT, light2_ambient);glLightfv(GL_LIGHT2, GL_DIFFUSE, light2_diffuse);glLightfv(GL_LIGHT2, GL_SPECULAR, light2_specular);glLightfv(G
34、L_LIGHT2, GL_POSITION, light2_position);glLightf(GL_LIGHT2, GL_SPOT_CUTOFF, 120.0); glLightf(GL_LIGHT2, GL_SPOT_EXPONENT, 2.5); glLightfv(GL_LIGHT2, GL_SPOT_DIRECTION, spot0_direction);glLightfv(GL_LIGHT3, GL_AMBIENT, light3_ambient);glLightfv(GL_LIGHT3, GL_DIFFUSE, light3_diffuse);glLightfv(GL_LIGH
35、T3, GL_SPECULAR, light3_specular);glLightfv(GL_LIGHT3, GL_POSITION, light3_position);glLightf(GL_LIGHT3, GL_SPOT_CUTOFF, 120.0); glLightf(GL_LIGHT3, GL_SPOT_EXPONENT, 2.5); glLightfv(GL_LIGHT3, GL_SPOT_DIRECTION, spot3_direction);/ GLfloat mat_ambient = 0.2f, 0.2f, 0.1f, 1.0f ; GLfloat mat_diffuse =
36、 0.8f,0.8f, 0.8f, 1.0 ; GLfloat mat_specular = 0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0 ; GLfloat mat_shininess = 100.0 ; glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess)
37、;/glEnable(GL_LIGHTING);/启动光照，菜单控制启动光照glEnable(GL_LIGHT1);glEnable(GL_LIGHT2);glEnable(GL_LIGHT3);glDepthFunc(GL_LESS);glEnable(GL_DEPTH_TEST);glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);图4-4 添加光照运行图4.2.2.3 几何变换事件4.2.2.3.1 旋转事件void myMouseMotion_旋转(GLint x, GLint y)m_xRotate = cx - x;m_yRotat
38、e = cy - y;cx = x, cy = y;glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glRotated(3*m_xRotate+ 4*m_yRotate)/2, 0.0, 0.0, 1.0);图4-5 旋转事件运行图4.2.2.3.2 移动事件void myMouseMotion_移动(GLint x, GLint y)tcx = x - cx, tcy = y - cy;glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glClear(GL_COLOR_BUFFER
39、_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glTranslatef(tcx, 0, 0);glTranslatef(0, 0, -tcy);cx = x, cy = y;图4-6 移动事件运行图4.2.2.3.3 放大事件void myMouse_放大(int button,int state,int x, int y)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);if (button = GLUT_LEFT_BUTTON & state = GLUT_DOWN)glScalef(i*1.02f, i*1.02f, i*1.
40、02f);图4-7 放大事件运行图4.2.2.3.4 缩小事件void myMouse_缩小(int button, int state, int x, int y)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);if (button = GLUT_LEFT_BUTTON & state = GLUT_DOWN)glScalef(i/1.02f, i/1.02f, i/1.02f);图4-8 缩小事件运行图5 问题讨论绘制动画时出现图形闪烁，如何解决这一问题？通过组员讨论，发现在主函数中设置的初始显示模式为单缓冲模式（GLUT_SINGLE
41、），图形绘制复杂时绘制相对缓慢，使用单缓冲模式，计算机一边绘制一边显示，导致人眼暂留在未绘制完成的残缺图像上，未看到完整图像，造成了屏幕闪烁。当修改为双缓存（GLUT_DOUBLE）时，并在每一个图形绘制子函数最后调用glutSwapBuffers，当再次执行程序时屏幕闪烁却加强了，问题又出现在哪里呢？多次分析绘图函数，原来当每一个绘图子函数都调用glutSwapBuffers时导致每次绘制完成一个子图形时后面的图形还未开始绘制就将当前绘制完成的子图形显示出来，而当下一个子图形绘制完成时才开始显示图形，致使屏幕闪烁。最终将glutSwapBuffers只在绘图主函数（myDisplay(void)）中调用时屏幕不再闪烁，顺畅的显示出来动画效果。