《计算机图形学》课程实验指导

《计算机图形学》课程实验指导一．实验总体方案1．教学目标与基本要求（1）掌握教材所介绍的图形算法的原理；（2）掌握通过具体的平台实现图形算法的方法，培养相应能力；（3）通过实验培养具有开发一个基本图形软件包的能力。2.实验平台与考核实验主要结合OpenGL设计程序实现各种课堂教学中讲过的图形算法为主。程序设计语言主要以C/C++语言为主，开发平台为VisualC++。每次实验前完成实验报告的实验目的、实验内容、实验原理、实验代码四部分并接受抽查，实验完成后完成实验结果、实验体会两部分，本次实验课结束前提交。3.实验步骤(1)预习教材与实验指导相关的算法理论及原理；(2)仿照教材与实验指导提供的算法，利用VC+OpenGL进行实现；(3)调试、编译、运行程序，运行通过后，可考虑对程序进行修改或改进。二.实验具体方案实验预备知识OpenGL作为当前主流的图形API之一，它在一些场合具有比DirectX更优越的特性。1）与C语言紧密结合：OpenGL命令最初就是用C语言函数来进行描述的，对于学习过C语言的人来讲，OpenGL是容易理解和学习的。如果你曾经接触过TC的graphics.h，你会发现，使用OpenGL作图甚至比TC更加简单；2）强大的可移植性：微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只用于Windows系统。而OpenGL不仅用于Windows，还可以用于Unix/Linux等其它系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机（如：医疗用显示设备）上都有应用。并且，OpenGL的基本命令都做到了硬件无关，甚至是平台无关；3)高性能的图形渲染：OpenGL是一个工业标准，它的技术紧跟时代，现今各个显卡厂家无一不对OpenGL提供强力支持，激烈的竞争中使得OpenGL性能一直领先。总之，OpenGL是一个非常优秀的图形软件接口。OpenGL官方网站（英文）编程进行简单介绍。如下是学习OpenGL前的准备工作：1．选择一个编译环境现在Windows系统的主流编译环境有VisualC++，C++Builder，Dev-C++等，它们都是支持OpenGL的。但这里我们选择VisualC++作为学习OpenGL的实验环境。2．安装GLUT工具包GLUT不是OpenGL所必须的，但它会给我们的学习带来一定的方便，推荐安装。Windows环境下的GLUT下载地址：（大小约为150k）环境下安装GLUT的步骤：1）将下载的压缩包解开，将得到5个文件2）在“我的电脑”中搜索“gl.h”，并找到其所在文件夹（如果是VisualStudio2005，则应该是其安装目录下面的“VC\PlatformSDK\include\gl文件夹”）。把解压得到的glut.h放到这个文件夹。3）把解压得到的glut.lib和glut32.lib放到静态函数库所在文件夹（如果是VisualStudio2005，则应该是其安装目录下面的“VC\lib”文件夹）。4）把解压得到的glut.dll和glut32.dll放到操作系统目录下面的system32文件夹内。（典型的位置为：C:\Windows\System32）3．建立一个OpenGL工程这里以VC为例：选择File-New-Project，然后选择Win32ConsoleApplication，选择一个名字，然后按OK。在谈出的对话框左边点ApplicationSettings，找到Emptyproject并勾上，选择Finish。然后向该工程添加一个代码文件，取名为“OpenGL.cpp”。实验1像素点的生成1．实验目的：熟悉编程环境；了解光栅图形显示器的特点；了解计算机绘图的特点；利用VC+OpenGL作为开发平台设计程序，以能够在屏幕上生成任意一个像素点为本实验的结束。2．实验内容：（1）了解和使用VC的开发环境，理解简单的OpenGL程序结构。（2）掌握OpenGL提供的基本图形函数，尤其是生成点的函数。3．实验原理：（1）基本语法常用的程序设计语言，如C、C++、Pascal、Fortran和Java等，都支持OpenGL的开发。这里只讨论C版本下OpenGL的语法。OpenGL基本函数均使用gl作为函数名的前缀，如glClearColor()；实用函数则使用glu作为函数名的前缀，如gluSphere()。OpenGL基本常量的名字以GL_开头，如GL_LINE_LOOP；实用常量的名字以GLU_开头，如GLU_FILL。一些函数如glColor*()（定义颜色值），函数名后可以接不同的后缀以支持不同的数据类型和格式。如glColor3b(...)、glColor3d(...)、glColor3f(...)和glColor3bv(...)等，这几个函数在功能上是相似的，只是适用于不同的数据类型和格式，其中3表示该函数带有三个参数，b、d、f分别表示参数的类型是字节型、双精度浮点型和单精度浮点型，v则表示这些参数是以向量形式出现的。OpenGL定义了一些特殊标识符，如GLfloat,GLvoid。它们其实就是C中的float和void。在gl.h文件中可以看到以下定义：……typedeffloatGLfloat;typedefvoidGLvoid;……一些基本的数据类型都有类似的定义项。（2）程序的基本结构OpenGL程序的基本结构可分为三个部分：第一部分是初始化部分。主要是设置一些OpenGL的状态开关，如颜色模式(RGBA或ALPHA)的选择，是否作光照处理(若有的话，还需设置光源的特性)，深度检验，裁剪等等。这些状态一般都用函数glEnable(...),glDisable(…)来设置，…表示特定的状态。第二部分设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置大小。主要利用了三个函数：函数voidglViewport(left,top,right,bottom)：设置在屏幕上的窗口大小，四个参数描述屏幕窗口四个角上的坐标（以象素表示）函数voidglOrtho(left,right,bottom,top,near,far)：设置投影方式为正交投影（平行投影），其取景体积是一个各面均为矩形的六面体;函数voidgluPerspective(fovy,aspect,zNear,zFar)：设置投影方式为透视投影，其取景体积是一个截头锥体。第三部分是OpenGL的主要部分，使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的数学描述，包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等等。以上三个部分是OpenGL程序的基本框架，即使移植到使用MFC的Windows程序中，也是如此。只是由于Windows自身有一套显示方式，需要进行一些必要的改动以协调这两种不同显示方式。（3）状态机制OpenGL的工作方式是一种状态机制，它可以进行各种状态或模式设置，这些状态或模式在重新改变它们之前一直有效。例如，当前颜色就是一个状态变量，在这个状态改变之前，绘制的每个象素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其它颜色为止。OpenGL中大量地使用了这种状态机制，如颜色模式、投影模式、单双显示缓存区的设置、背景色的设置、光源的位置和特性等等。许多状态变量可以通过glEnable()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度检测等；在被设置成有效状态之后，绝大部分状态变量都有一个缺省值。通常情况下，可以用下列四个函数来获取某个状态变量的值：glGetBooleanv()、glGetDouble()、glGetFloatv()和glGetIntegerv()。究竟选择哪个函数应该根据所要获得的返回值的数据类型来决定。还有些状态变量有特殊的查询函数，如glGetLight*()、glGetError()和glPolygonStipple()等。另外，使用glPushAttrib()和glPopAttrib()函数，可以存储和恢复最近的状态变量的值。只要有可能，都应该使用这些函数，因为它们比其它查询函数的效率更高。4．实验代码：一个简单的OpenGL程序如下：（注意，如果需要编译并运行，需要正确安装GLUT，安装方法如预备知识中所述）该程序的作用是在一个黑色的窗口中央画一个矩形、三角形和三个点。下面对各行语句进行说明：首先，需要包含头文件#includeGL/glut.h，这是GLUT的头文件。本来OpenGL程序一般还要包含GL/gl.h和GL/glu.h，但GLUT的头文件中已经自动将这两个文件包含了，不必再次包含；然后看main函数。intmain(intargc,char*argv[])，这个是带命令行参数的main函数。注意main函数中的各语句，除了最后的return之外，其余全部以glut开头。这种以glut开头的函数都是GLUT工具包所提供的函数，下面对用到的几个函数进行介绍；1）glutInit，对GLUT进行初始化，这个函数必须在其它的GLUT使用之前调用一次。其格式比较固定，一般都是glutInit(&argc,argv)就行；2)glutInitDisplayMode，设置显示方式，其中GLUT_RGB表示使用RGB颜色，与之对应的还有GLUT_INDEX（表示使用索引颜色）。GLUT_SINGLE表示使用单缓冲，与之对应的还有GLUT_DOUBLE（使用双缓冲）。更多信息，以后的实验教程会有讲解介绍；3)glutInitWindowPosition，设置窗口在屏幕中的位置；4)glutInitWindowSize，设置窗口的大小；5)glutCreateWindow，根据前述设置的信息创建窗口。参数将被作为窗口的标题。注意：窗口被创建后，并不立即显示到屏幕上。需要调用glutMainLoop才能看到窗口；6)glutDisplayFunc，设置一个函数，当需要进行画图时，这个函数就会被调用。（暂且这样理解）；7)glutMainLoop，进行一个消息循环。（现在只需知道这个函数可以显示窗口，并且等待窗口关闭后才会返回。）在glutDisplayFunc函数中，我们设置了“当需要画图时，请调用myDisplay函数”。于是myDisplay函数就用来画图。观察myDisplay中的三个函数调用，发现它们都以gl开头。这种以gl开头的函数都是OpenGL的标准函数，下面对用到的函数进行介绍：1)glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)：将清空颜色设为黑色（为什么会有四个参数？）；2)glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)：将窗口的背景设置为当前清空颜色；3)glRectf，画一个矩形。四个参数分别表示了位于对角线上的两个点的横、纵坐标；4)glFlush，保证前面的OpenGL命令立即执行（而不是让它们在缓冲区中等待）。5.思考题如图所示，根据示范程序，能否在原有结果基础上添加三条直线组成三角形？实验2直线生成算法的实现1．实验目的：理解基本图形元素光栅化的基本原理，掌握一种基本图形元素光栅化算法，利用OpenGL实现直线光栅化的DDA算法。2．实验内容：（1）根据所给的直线光栅化的示范源程序，在计算机上编译运行，输出正确结果；（2）指出示范程序采用的算法，以此为基础将其改造为中点线算法或Bresenham算法，写入实验报告；（3）根据示范代码，将其改造为圆的光栅化算法，写入实验报告；（4）了解和使用OpenGL的生成直线的命令，来验证程序运行结果。3．实验原理：示范代码原理参见教材直线光栅化一节中的DDA算法。下面介绍下OpenGL画线的一些基础知识和glutReshapeFunc()函数。（1）数学上的直线没有宽度，但OpenGL的直线则是有宽度的。同时，OpenGL的直线必须是