计算机图形学上机实验报告

计算机图形学实验报告

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目录

实验一OpenGL程序结构练习 (3)

实验二基本图形生成 (6)

实验三交互式控制 (9)

实验四图形基本变换 (12)

实验五三维图形生成及显示 (15)

实验六三维图形生成及显示 (19)

实验一OpenGL程序结构练习

【实验目的】

1.熟悉C语言环境下OpenGL的使用方法；

2.了解OpenGL程序的基本结构。

【实验原理】

绝大多数OpenGL程序具有类似的结构，包含下述函数

main():

定义回调函数，打开一个或多个具有指定属性的窗口，进入事件循环（最后一条可执行语句）

init():

设置状态变量、视图、属性、回调、显示函数、输入和窗口函数#include // glut.h includes gl.h and glu.h

void display()

{ ……}

void init()

{ ……}

int main( intargc, char **argv)

{ ……}

【实验内容】

1.了解程序中各个结构的功能；

2.用OpenGL生成三角形。

【实验步骤及结果】

1.导入OpenGL的glut3

2.lib和glut.h文件：将.lib文件存放到C 语言程序文件夹的Library下，.h文件放到Include下；导入应用程序扩展文件glut32.dll，存放到system文件夹下。

2.打开VC 6.0，新建工程，并命名为text1，如图1.

图 1

3.在工程text1下新建源文件，并命名为text1.cpp。

4.编写代码并编译链接，如图2所示。

图 2

5.运行，结果如图3所示。

图 3

实验二基本图形生成

【实验目的】

1.熟悉OpenGL的程序结构，并了解各部分的功能。

2.学会应用OpenGL语言绘制出点，线，多边形。

【实验原理】

1.GLUT函数

glutInit使得应用程序可以获取命令行参数并初始化系统。

glutInitDisplayMode设置窗口的属性、RGB颜色、单缓冲区、属性按照逻辑或组合在一起。

glutWindowSize以像素为单位定义窗口的尺寸。

glutWindowPosition定义窗口左上角在显示器上的位置。

glutCreateWindow创建窗口，标题来自于参数值。

glutDisplayFunc定义显示回调函数。

glutMainLoop进入无穷的事件循环。

2.变换与视图

在OpenGL中投影是利用投影矩阵乘法(变换)进行的，由于只存在一个变换函数系列，因此必须先设置矩阵模式。

glMatrixMode(GL_PROJECTION)变换函数是累加在一起的，因此需要从单位阵开始，然后把它改变为一个投影矩阵以定义视景体。

3.OpenGL的基本几何形状

在display模块下采用glBegin()调用，如：glBegin(GL_POLYGON)

既是调用多边形绘制方式。

4.颜色与状态

颜色的每个分量在帧缓冲区中是分开存贮的，在缓冲区中通常每个分量占用8位字节。注意在函数glColor3f中颜色的变化范围是从0.0(无)1.0(全部), 而在glColor3ub中颜色值的变化范围是从0到255。

在OpenGL程序中，由glColor*设置的颜色成为状态的一部分，后续构造过程将使用这一颜色，直至它被修改为止。

颜色与其它属性不是对象的一部分，但是在渲染对象时，要把这些属性赋给对象，可以按下述过程创建具有不同颜色的顶点glColor()

glVertex()

glColor()

glVertex()

【实验内容】

1.用OpenGL生成点、线。

2.用OpenGL生成多边形。

【实验步骤及结果】

1.打开VC 6.0，新建名为text2的工程文件，并新建名为text

2.cpp 的源文件。

2.编写代码，编译并链接，如图1所示。

图 1

3.运行，结果如图2所示。

图 2

实验三交互式控制

【实验目的】

1. 了解OpenGL中交互式控制的原理。

2.学会运用OpenGL程序实现鼠标和键盘对图形及窗口的控制。【实验原理】

1.GLUT中的回调函数

GLU识别在各种窗口系统(Windows, X, Macintosh)中都有的一组事件：

glutDisplayFunc //显示功能

glutMouseFunc //鼠标功能

glutReshapeFunc //重置形状功能

glutKeyboardFunc //键盘功能

glutIdleFunc //闲置停顿功能

glutMotionFunc //动作请求功能

glutPassiveMotionFunc //被动请求功能

2.鼠标回调函数

glutMouseFunc(mymouse)

voidmymouse(GLintbtn, GLint state, GLint x, GLint y)

其中btn的值可能是GLUT_LEFT_BUTTON、GLUT_MIDDLE_BUTTON、GLUT_RIGHT_BUTTON，表示哪个按钮导致了事件发生；state表示相应按钮的状态：GL_UP, GL_DOWN ；x, y表示在窗口中的位置。

3.键盘的应用

glutKeyboardFunc(mykey)

voidmykey(GLubyte key, GLint x, GLint y)

返回键盘上被按下键的ASCII码和鼠标位置。注意在GLUT中并不把释放键做为一个事件。

【实验内容】

1.用OpenGL生成一个多边形。

2.在多边形的基础上实现用鼠标控制图形窗口的切换，并且能通过鼠标控制变换图形颜色。

3.在上述基础上实现用键盘控制图形窗口的关闭。

【实验步骤及结果】

1.打开VC 6.0，新建名为text3的工程文件，在工程内新建名为text3.cpp的源文件。

2.编写代码，编译并链接，如图1所示。

图 1

3.程序运行结果如下：

附：①鼠标控制方式如图2所示：鼠标左键控制显示display2的螺帽状图形，右键控制显示display1的矩形。

图 2

②在display1中，定义for循环和n的整型变量，实现矩形颜色的变化，如图3所示：n=7时，即可实现8种颜色的变换，在颜色上调用glCoclor3fv(coclor[n])定义显示的颜色。

图 3

③键盘控制方式：当键入Q或q时，图形显示窗口关闭运行结果：

实验四图形基本变换

【实验目的】

1.了解OpenGL下图形窗口的坐标表示；

2.掌握图形坐标的矩阵运算方法；

3.能运用坐标的矩阵算法对图形进行伸缩、对称、错切变换。【实验原理】

1.空间图形的矩阵表示

若用一个行向量[ x1 x2 …xn ]表示n维空间中一个点坐标，那么n维空间中m个点坐标就可以表示为一个向量集合：

2.图形变换

图形变换可以通过对表示图形坐标的矩阵进行运算来实现，称为矩阵变换法。

矩阵变换法的一般形式：

（1）伸缩变换

当a=d，图形沿x方向和y方向等比例缩放；

当a=d>1，图形沿x、y方向等比例放大；

当0

（2）对称变换

和伸缩变换相似，如：关于x轴对称：

（3）错切变换

【实验内容】

在OpenGL下绘制一个基本图形，并实现该图形的伸缩、对称、错切变换。

【实验步骤及结果】

1.打开VC 6.0，新建名为text4的工程文件，并新建名为text4.cpp 的源文件。

2.编写代码，编译并链接，如图1所示。

图 1

3.程序运行结果如图2所示：

图 2

其中绿色为原图，青蓝色为y=-x对称，黄色为0.6倍缩放后关于x轴对称，红色为x方向错切。

实验五三维图形生成及显示

【实验目的】

1.了解OpenGL下3D图形生成的原理；

2.学会运用OpenGL生成简单的三维图形。

【实验原理】

1.OpenGL中的照相机

在OpenGL中，初始的世界标架和照相机标架相同

初始的模型－视图矩阵是单位阵照相机位于原点，并指向z轴的负向；OpenGL也指定了默认的视景体，它是一个中心在原点的边长为2的立方体。缺省的投影矩阵是单位阵。

移动照相机：可以利用一系列旋转和平移把照相机定位到任意位置。

例如，为了得到侧视图：

旋转照相机: R；

把照相机从原点移开: T；

模型－视图矩阵C = TR。

注意最后指定的变换是最先被应用的变换

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

glTranslated(0.0, 0.0, -d);

glRotated(-90.0, 0.0, 1.0, 0.0);

2.视图定位矩阵

LookAt()函数：在GLU库中包含了函数gluLookAt()，提供了创建定位照相机所用的模型－视图矩阵的简单方法。注意在设置中需要一个向上的方向初始化，即上载单位阵也可以与模型变换复合在一起。

例如：平行于轴的立方体的等角投影

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

gluLookAt(1.,1.,1.,0.,0.,0.,0.,1.,0.);

3.投影变换

投影变换投影变换就是定义一个可视空间，可视空间以外的物体不会被绘制到屏幕上。（注意，从现在起，坐标可以不再是-1.0到1.0了！）OpenGL支持两种类型的投影变换，即透视投影和正投影。投影也是使用矩阵来实现的。如果需要操作投影矩阵，需要以GL_PROJECTION为参数调用glMatrixMode()函数。即为：

glMatrixMode(GL_PROJECTION); 通常，我们需要在进行变换前把当前矩阵设置为单位矩阵。glLoadIdentity(); 透视投影所产生的结果类似于照片，有近大远小的效果，比如在火车头内向前照一个铁轨的照片，两条铁轨似乎在远处相交了。

【实验内容】

1.用OpenGL生成一个球体；

2.为了便于观察，在程序中加入交互式控制模式，可以通过鼠标或键盘控制图形的变化。

【实验步骤及结果】

1.打开VC 6.0，新建名为text5的工程文件，并新建名为text5.cpp 的源文件。

2.编写代码，编译并链接，如图1所示。

图 1

3.程序运行结果如图2所示：

图 2

4.控制键盘方向键对图形进行变换，如图3所示

图 3

实验六三维图形生成及显示

【实验目的】

1.了解OpenGL下生成光照模型的方法；

2.学会在OpenGL中创建光源，对3D图形进行明暗处理。

【实验原理】

1.简单光照明模型

模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型－光照明模型。简单光照明模型只考虑光源对物体的直接光照。

Phong光照明模型：简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用，光源为点光源。反射作用分为镜面反射(Specular Reflection)和漫反射(Diffuse Reflection)，物体间作用用环境光(Ambient Light)表示Phong模型的实现：对物体表面上的每个点P，均需计算光线的反射方向。为了减少计算量，假设：光源在无穷远处，L为常向量，视点在无穷远处，V为常向量，（H?N）近似（R?V），H为L与V的平分向量，对所有的点总共只需计算一次H的值，节省了计算时间。

示例：

增量式光照明模型：在每个多边形顶点处计算光照明强度或参数，

r I a a K I 然后在各个多边形内部进行双线性插值，得到多边形光滑均匀颜色分布。两个主要算法：双线性光强插值、Gouraud 明暗处理；双线性法向插值、Phong 明暗处理。

2.局部光照明模型

从光电学知识和物体微平面假设出发，介绍镜面反射与物体材质有关的普遍局部光照明模型。

局部光照明模型表示：物体表面反射光强，表示环境光的影响。最后一项是考虑了物体表面性质后的反射光强度量，是该局部光照明模型的复杂性与普遍性所在。

简单与局部模型比较：

3.纹理及纹理映射

解决计算机生成真实感图象缺乏现实物体表面细节的问题。纹理映射是把纹理图象值映射到三维物体的表面的技术。

纹理映射的问题：

改变物体的属性，可以产生纹理的效果，

对简单光照明模型而言，