计算机图形学实验指导书

计算机图形学实验指导书

编者：吴学毅

西安理工大学

印刷包装工学院信息科学系

2010年9月

目录

上机实验说明 (2)

【实验环境】 (2)

【实验要求】 (2)

【实验项目及学时分配】 (2)

【实验报告和考核】 (2)

【实验大纲】见附录A (2)

【实验环节详细说明】见附录B (2)

实验（一） (3)

【实验题目】基本图元绘制 (3)

【实验目的】 (3)

【实验内容】 (3)

【实验报告要求】 (4)

实验（二） (5)

【实验题目】二维图元的几何变换 (5)

【实验目的】 (5)

【实验内容】 (5)

【实验报告要求】 (6)

实验（三） (7)

【实验题目】线段、多边形裁剪算法实现 (7)

【实验目的】 (7)

【实验内容】 (7)

实验（四） (8)

【实验题目】三维观察算法实现 (8)

【实验目的】 (8)

【实验内容】 (8)

实验（五） (9)

【实验题目】光照模型与纹理映射实现 (9)

【实验目的】 (9)

【实验内容】 (9)

【实验报告要求】 (9)

附录A (10)

《计算机图形学》实验教学大纲 (10)

附录B (12)

实验环节详细说明 (12)

上机实验说明

【实验环境】

操作系统：Microsoft Windows 2000或以上系统。

软件平台：Visual C++6.0程序开发的软件平台及OpenGL图形库。

【实验要求】

1、每次实验前，熟悉实验目的、实验内容及相关的基本理论知识。

2、无特殊要求，原则上实验为1人1组，必须独立完成。

3、实验所用机器最好固定，以便更好地实现实验之间的延续性和相关性，并便于检查。

4、按要求认真做好实验过程及结果记录。

【实验项目及学时分配】

本实验共计10学时，实验项目及学时分配如下：

【实验报告和考核】

1、实验报告必需采用统一的实验报告纸，撰写符合一定的规范，详见实验报告撰写格

式及规范。

2、本实验占该课程最终评定成绩的15％。

【实验大纲】见附录A

【实验环节细节说明】见附录B

实验（一）

【实验题目】基本图元绘制

【实验目的】

1、通过本实验，掌握在VC6.0环境下基于OpenGL程序开发的运行环境配置，了解基于OpenGL图形库的控制台图形程序开发框架，并对二维观察变换中相关函数的使用及参数有所了解。

2、掌握OpenGL基本图元的绘制方法和属性控制方法，并编程实现综合使用多种图形函数绘制复杂图形。

【实验内容】

1．VC6.0环境下基于OpenGL程序开发的运行环境配置

由于VC6.0应用程序开发系统只支持OpenGL核心库函数，而在程序开发中需使用大量核心库所不具有的函数，因此，在进行图形开发前需进行OpenGL程序开发的运行环境配置。在此需将有关的函数库文件拷贝到指定的文件目录下即可。过程如下：

①将OpenGL开发库子目录下\INCLUDE所有文件拷贝到VC所在子目录的\include\gl

目录下。

②将OpenGL开发库子目录下\LIB所有文件拷贝到VC所在子目录的\lib目录下。

③将OpenGL开发库子目录下\DLL所有文件拷贝到windows所在子目录的\system32

目录下。

2．OpenGL控制台应用程序框架

OpenGL控制台应用程序框架及各函数的作用、参数情况说明见教材2.2.1节 OpenGL控制台应用程序框架。

3．基本图元绘制

该实验将综合利用第二章、第三章中有关基本图元及其属性控制的函数，自我设计能够

将下属图形要素涵盖的图形，并编程实现。

①基本图元：应包括点、线段、各种多边形；

②属性控制：应包括颜色设置、不同大小的点（如1像素点、3像素点等）、不同类型的线段（实线、点划线等）；

③绘制出屏幕坐标系的2个坐标轴，并利用绘制线段或多边形方式绘制1个圆。

【实验报告要求】

1．简述VC++环境下OpenGL图形系统开发的一般过程。

2．总结在程序设计和实现过程中遇到的主要问题及解决过程。

3．图形坐标与世界坐标系、屏幕视口坐标系之间的关系是什么？在放大、缩小观察图形时应调节那些函数的那些参数？

实验（二）

【实验题目】二维图元的几何变换

【实验目的】

1、了解和掌握二维坐标系中物体坐标、观察坐标、屏幕坐标之间的关系，能够在合适的位置定义物体的几何形状，并通过定义合适的观察坐标系在视口中显示出物体。

2、了解和掌握以坐标原点、坐标轴为中心的物体几何变换方式，包括平移、旋转和缩放对应的函数。

3、了解和掌握矩阵操作函数的原理和过程，并实现绕任意点或任意轴为参考进行平移、旋转、缩放程序。

【实验内容】

2．了解和掌握二维坐标系中物体坐标、观察坐标、屏幕坐标之间的关系。

要求：对上一次编写的程序中的几何物体改变其几何位置和大小，改变gluOrtho2D函数中的参数，改变glViewport中的参数，观察所要绘制的图形和视口的位置发生了什么变化，并思考原因。

3．了解和掌握以坐标原点、坐标轴为中心的物体几何变换方式。

要求：绘制一个二维图形，并使用以坐标原点、坐标轴为参考的物体几何变换（包括平移、旋转和缩放）函数，对其进行相应的几何变换，并以不同颜色加以区分。

3．了解和掌握矩阵操作函数的原理和过程。

要求：采用矩阵操作方式实现与第二步中相同的几何变换过程。

4．实现绕任意点或任意轴为中心进行平移、旋转、缩放程序。

要求：根据课堂上所讲的绕任意点或任意轴为参考进行几何变换的原理，编写相应的旋转和缩放函数，并采用所实现的函数对所绘制的图形实现绕任意点或任意轴为参考的几何变换。

【实验报告要求】

1．总结并简述绕任意点或任意轴为中心进行几何变换的原理。

2．总结在程序设计和实现过程中遇到的主要问题及解决过程。

3．用矩阵操作实现几何变换有何优点？

实验（三）

【实验题目】线段、多边形裁剪算法实现

【实验目的】

1、深入了解和掌握Cohen_Sutherland线段裁剪算法的原理和程序实现过程。

2、深入了解和掌握Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法的原理和程序实现过程。【实验内容】

4．根据Cohen-Sutherland直线裁剪算法的原理，实现用矩形窗口对某线段的裁剪过程。要求：根据Cohen-Sutherland直线裁剪算法的原理，编写实现该算法的各个子函数，并在屏幕上画出用于裁剪的矩形窗口，用不同的颜色和线型标注被裁剪的线段及裁剪后的结果。5．根据Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法的原理，实现用矩形对某多边形的裁剪过程。要求：根据Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法的原理，编写实现该算法的各个子函数，并在屏幕上画出用于裁剪的矩形窗口，用不同的颜色和线型标注被裁剪的多边形及裁剪后的结果。

【实验报告要求】

1．总结在程序设计和实现过程中遇到的主要问题及解决过程。

2．在Cohen-Sutherland直线裁剪算法中若改变9个区域的编码方式会对裁剪结果产生什么影响？

3．在OpenGL中如何实现对二维图形的裁剪？

实验（四）

【实验题目】三维观察算法实现

【实验目的】

6．了解和掌握三维空间中几何物体的绘制方法。

7．了解和掌握三维观察变换的原理及OpenGL中实现三维观察变换函数的参数对三维观察的影响。

【实验内容】

1、了解和掌握三维空间中几何物体的绘制方法。

要求：了解在三维空间坐标系中三维物体的定义方法，注意多边形内部和外部定义，并绘制一个包含内、外部的三维物体。

2、实现三维观察变换。

要求：利用gluPerspective等相关三维观察变换函数，实现对上面所绘制的三维物体进行三维裁剪和三维观察变换，并对函数中的参数进行改变，观察屏幕显示结果，进一步了解三维观察变换的原理。

【实验报告要求】

1．总结三维观察变换相关函数中参数的不同变化对三维观察结果的影响。

2．总结在程序设计和实现过程中遇到的主要问题及解决过程。

3．glMatrixMode函数对三维观察变换有何影响？

实验（五）

【实验题目】光照模型与纹理映射实现

【实验目的】

8．熟悉三维空间中光照模型的原理，掌握OpenGL中光照模型的定义方法。

9．了解三维物体纹理映射的基本原理，掌握OpenGL中纹理映射的基本方法。

【实验内容】

1、OpenGL中光照模型的定义方法的实现。

要求：绘制一个空间三维物体，并在三维空间中定义不同的光源，涉及不同的光源类型、光的颜色，并开启光源，观察通过改变定义光源的不同参数，得到的绘制结果有何不同。2、OpenGL中纹理映射的实现。

要求：画出一个二维图形，并采用程序生成纹理或读入纹理图像的方法，对所绘制的二维图形进行纹理映射，通过改变不同的参数观察所得到的结果有何不同。

【实验报告要求】

1．总结三维空间中定义光照模型的过程，及定义光照模型相关函数中参数的不同变化对观察结果的影响。

2．总结三维空间中纹理映射的过程，及纹理映射相关函数中参数的不同变化对观察结果的影响。

2．总结在程序设计和实现过程中遇到的主要问题及解决过程。

附录A

《计算机图形学》实验教学大纲

一、制定实验教学大纲的依据

根据本校《2008级本科指导性培养计划》和2008年6月制定的《计算机图形学》课程教学大纲制定。

二、本实验课在专业人才培养中的地位和作用

《计算机图形学》是数字媒体技术专业必修的一门专业基础课。通过本课程的学习，可以使学生了解计算机图形学所研究的内容、广泛的应用，掌握计算机图形的基本生成算法、图形几何变换的原理及实现方法、二维和三维观察、图形表示、曲线、曲面的图形生成技术及真实感图形等。同时结合OpenGL图形库的使用，使学生掌握图形程序开发的基本技术和方法。

三、本实验课程讲授的基本实验理论

主要讲授利用OpenGL图形库函数进行二维、三维图形的绘制的基本方法，从而使学生能将计算机图形学的基本理论与OpenGL图形开发实践有机结合起来，加深对理论的理解和应用实践能力。主要涉及图形光栅化原理，及基于光栅化原理的所进行的基本图元的生成、填充、裁剪算法、二维图形变换、二维和三维观察变换、光照模型和纹理映射等。

1．OpenGL运行环境配置及基本图元绘制；

2．二维观察变换及二维图形几何变换；

3．线段裁剪、多边形裁剪算法；

4．三维观察变换；

5．真实感图形绘制中光照模型的设置和纹理映射过程。

四、本实验课学生应达到的能力

本实验开设的目的：一方面使学生通过实验对图形学基本理论和算法在实践中的应用有一个直观、深刻的认识，从而使学生掌握将理论应用于实践的方法，同时对理论的认识得到深化；另一方面，通过编程训练加强了学生对基于OpenGL图形库的基本图形算法、二维图形变换、二三维观察变换、真实感图形处理等实际编程动手能力的训练；为学生进一步了解和掌握包括图形用户界面、CAD、数字图像处理等的原理、技术、方法打下坚实的理论和实践基础。

五、学时、教学文件及形式

学时：本课程总学时为48学时，其中实验为10学时，占总学时的20%。

教学文件：校编《计算机图形学实验指导书》；实验报告学生自拟。

要求学生实验前预习实验指导书，并理解相关算法思想及软件实现过程，具体编程过程由学生独立完成。

六、实验考核办法与成绩评定

实验课成绩占本课程总成绩15%，对缺少实验成绩者，本课程不予通过（对实验成绩的考核包括上机编程结果占50%，实验报告占40%，考勤占10%）。

七、仪器设备及注意事项

仪器设备：有快速的较高性能微机和较大内存与硬盘的设备

注意事项：注意保护设备

八、实验项目的设置及学时分配

制定人：吴学毅

审核人：张二虎

批准人：周世生

制定日期：2008.7

附录B

实验环节详细说明

实验（一）：基本图元绘制

一．VC6.0环境下基于Win32控制台的OpenGL程序创建过程

在Visual C++ 6.0环境下有两种OpenGL程序开发框架：（1）基于控制台的应用程序框架；（2）MFC环境下单文档、多文档、对话框应用程序框架。其中前者是最为简单、有效的知识验证型程序开发框架。基于控制台的OpenGL应用程序框架与一般的C语言程序结构一样，只是其中在定义图形窗口、初始化操作和图形数据处理与显示时，须使用相应的OpenGL 函数。下面就基于控制台的应用程序框架开发过程简述如下：

1．由于VC6.0应用程序开发系统只支持OpenGL核心库函数，而在程序开发中需使用大量核心库所不具有的函数，因此，在进行图形开发前需进行OpenGL程序开发的运行环境配置。在此需将有关的函数库文件拷贝到指定的文件目录下即可。过程如下：

①将OpenGL开发库子目录下\INCLUDE所有文件拷贝到VC所在子目录的\include\gl

目录下。

②将OpenGL开发库子目录下\LIB所有文件拷贝到VC所在子目录的\lib目录下。

③将OpenGL开发库子目录下\DLL所有文件拷贝到windows所在子目录的\system32目录下。

2.在创建新工程的Project标签中应选择“Win32 Console Application”，并选择适当的保存工程的文件夹路径。

3．在如图1所示的创建向导页面选择A “Hello,World!”application.选项。点击Finish 按钮完成工程的创建。点击工具栏中的“Execute Program”按钮进行工程的编译、链接和运行，并出现Hell，World！ Press any key to continue的运行结果。

图1 工程创建向导

4.在工程创建完毕需添加OpenGL库。选择“Project Setting”对话框，如图2所示。在对话框中选择“Link”标签，在“Object/library modules”编辑框中加入“”。opengl32.lib glu32.lib glaux.lib

图2 工程设置对话框界面

5．在系统自动生成的*.cpp文件中，删去原文件内容，写入自己的程序代码。

注意：

1．由于实验室的机器对C、D盘进行了写保护，因此，若机器中C、D盘中无相应的OpenGL 库文件。则在每次上机时，需重新进行上述步骤1的库文件配置操作。

二、OpenGL控制台应用程序框架

OpenGL在Win32控制台下程序框架仍以main函数作为程序运行的入口，整个程序由3大部分组成。第1部分为应包含的头文件，其中主要是包含glut.h文件，该头文件包含了OpenGL运行所需要调用核心库和实用库中的相关头文件。第2部分为OpenGL绘制图形所需的相关函数的声明和定义，其中主要涉及：设置OpenGL运行初始环境，如myInit函数。绘制所要显示的图形，如myDisplay。响应窗口变化，如myReshape。以上3部分得主要程序结构在所有的win32控制台程序框架中均相似，但每部分在不同的应用中有所不同，要根据实际的绘图需求来具体写相关代码。第3部分为main函数的框架，在初级的应用中main函数调用的函数基本不变，主要是其中的一些参数可根据实际需要进行变动。

//第1部分--在此给出了OpenGL运行所需要的3个头文件

#include "stdafx.h"

#include "windows.h"

#include "GL/glut.h"

//第2部分—OpenGL函数声明

void myInit(void);

void myReshape(GLsizei w,GLsizei h);

void myDisplay(void);

//OpenGL相关函数的定义

void myInit(void) //设置OpenGL运行初始环境

{

glClearColor(1.0,1.0,1.0,0.0); //清除背景颜色为白色

glShadeModel(GL_FLAT); //设置图形绘制模式

}

void myDisplay(void) //绘制所要显示的图形

{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); //清除颜色缓冲区

glColor4f(0.2,0.6,1.0,1.0); //设置图形绘制颜色

glutWireTeapot(0.5); //绘制线框茶壶

glFlush(); //完成绘制

}

void myReshape(GLsizei w,GLsizei h) //响应窗口变化

{

glViewport(0,0,w,h); //设置窗口缩放时的视口变换

}

//第3部分—mian函数框架

int main(int argc, char* argv[])

{ //初始化显示模式，并将窗口显示模式定义为单缓冲区、RGBA颜色glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);

glutInitWindowPosition(50,150); //设置显示窗口左上角位置

glutInitWindowSize(200,350); //设置显示窗口宽度和高度

glutCreateWindow("控制台OpenGL框架"); //创建窗口并设置标题

myInit(); //绘制状态初始化

glutReshapeFunc(myReshape); //当窗口发生变化时，调用myReshape重新定义窗口属性

glutDisplayFunc(myDisplay); //调用myDisplay在窗口中绘制图形

glutMainLoop(); //循环绘制图形和响应事件处理

}

三、基本图元绘制

该部分可参考以下程序完成基本图元的绘制和属性的控制，但要求不能完全照搬，可在历届的基础上进行适当的修改。

#include "stdafx.h"

#include "GL/glut.h"

void myInit(void);

void myReshape(GLsizei w,GLsizei h);

void myDisplay(void);

void myInit(void) //设置OpenGL运行初始环境

{

glClearColor(1.0,1.0,1.0,0.0); //清除背景颜色为白色

glShadeModel(GL_SMOOTH); //设置图形绘制模式

}

void myDisplay(void) //绘制所要显示的图形

{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); //清除颜色缓冲区

glColor4f(0.2,0.6,1.0,1.0); //设置图形绘制颜色

//绘制线段

glBegin(GL_LINES);

glVertex2i(40,60); glVertex2i(-30,36);

glEnd();

//绘制折线

glBegin(GL_LINE_STRIP);

glColor3f(1.0,1.0,0.0); glVertex2f(10.0,-80.0); glVertex2f(30.0,-20.0); //黄色

glColor3f(0.0,1.0,0.0); glVertex2f(40.0,-80.0); glVertex2f(45.0,-20.0); //绿色

glColor3f(0.0,0.0,1.0); glVertex2f(50.0,-80.0); glVertex2f(70.0,-10.0); //蓝色glEnd();

//绘制封闭线

glBegin(GL_LINE_LOOP);

glColor3f(1.0,0.0,0.0); //红色

glVertex2f(-10.0,-30.0); glVertex2f(-30.0,-20.0);

glColor3f(0.0,1.0,0.0); //绿色

glVertex2f(-40.0,-30.0); glVertex2f(-45.0,-20.0);

glColor3f(0.0,0.0,1.0); //蓝色

glVertex2f(-50.0,-30.0); glVertex2f(-70.0,-10.0);

glEnd();

glColor3f(0.0,1.0,0.0); //绿色

//绘制三角形

glBegin(GL_TRIANGLES);

glVertex2i(20,70); glVertex2i(50,80); glVertex2i(60,55); glEnd();

glColor3f(0.0,0.0,1.0); //蓝色

//绘制相连三角形

glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);

glVertex2i(-20,30); glVertex2i(-50,-10); glVertex2i(-60,35);

glVertex2i(-80,45);

glEnd();

//绘制相连的四边形的顶点

glColor3f(0.0,0.0,1.0); //蓝色

glPointSize(3.0);

glBegin(GL_POINTS);

glVertex2i(20,30); glVertex2i(50,-10); glVertex2i(60,35);

glVertex2i(80,45); glVertex2i(85,60); glVertex2i(90,55); glEnd();

glColor3f(1.0,0.0,0.0); //红色

glBegin(GL_QUAD_STRIP);

glVertex2i(20,30); glVertex2i(50,-10); glVertex2i(60,35);

glVertex2i(80,45); glVertex2i(85,60); glVertex2i(90,55);

glEnd();

glFlush(); //强制绘制

}

//此处根据窗口的变化设置视口和裁剪窗口

void myReshape(GLsizei w,GLsizei h)

{

GLfloat nR=100.0f;

if (h==0) //防止被0除

h=1;

glViewport(0,0,w,h); //将视口区设置为原点位于左下角，宽度为w，高度为h

glMatrixMode(GL_PROJECTION); //设置当前投影矩阵堆栈

glLoadIdentity();

//建立裁剪体

if (w<=h)

glOrtho(-nR,nR,-nR*h/w,nR*h/w,-nR,nR);

else

glOrtho(-nR*w/h,nR*w/h,-nR,nR,-nR,nR);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW); //设置模型观察矩阵堆栈

glLoadIdentity();

}

绘制屏幕坐标系的2个坐标轴可在myDisplay函数中，按绘制线段的方式指定2个坐标

轴的2对顶点坐标，如（0，0）与（10，0）为x 轴，（0，0）与（0，10）为y 轴。

对于利用线段或多边形绘制函数绘制1个圆，主要的问题是如何计算构成圆周上各个顶

点的坐标值。可利用圆的极坐标方程：

)

1415926.32sin()1415926.32cos(

??=??=N

n

r y N

n

r x

来计算圆周上各点的坐标。其中N 为将圆周等分的份数，n 为每次循环的计数。

注意的问题：

在程序编译、链接、运行均无错误的情况下，经常会出现看不到所绘制的图形的情况，引起该情况的主要可能原因如下： 10．

在使用glVertex 函数指定顶点坐标时，函数的指定参数类型与实际给定的参数类型

不符，如glVertex2f(20,30); 11． 在图形绘制函数如没有Display 中没有调用glFlush(); 进行强制绘制。

12．

在使用glVertex 函数指定顶点坐标值超出glOrtho 或glOrtho2D 所定义的裁剪体范

围。

实验（二）：二维图元的几何变换

本实验包含4个环节：

一、了解和掌握二维坐标系中物体坐标、观察坐标、屏幕坐标之间的关系。

在实验一所绘制的基本图元的基础上，通过改变glVertex 函数所指定的顶点位置来理解顶点对几何物体位置和大小的影响；通过改变glBegin 的参数来理解不同基本图元绘制参数与顶点坐标对物体形状的影响；通过改变glOrtho2D 函数中的参数来理解裁剪体范围、是如何指定的及其对显示的场景范围的影响；通过改变glViewport 中的参数，观察所要绘制的图形和视口的位置发生了什么变化，并思考原因。

13．

了解和掌握以坐标原点、坐标轴为中心的物体几何变换方式。