3D游戏图形学实验一_3d游戏图形学实验一
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《3D游戏图形学》
实验指导书
浙江理工大学 二０一五年十月
数字图像处理实验指导书
课程实验指导
一、实验总体方案
1.教学目标与基本要求
1）掌握本书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，培养学生使用现代图形系统API的能力。
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
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。程序设计语言主要以C/C++为主，开发平台是Visual C++。
3.实验步骤
1）预习教材与实验指导的实验具体方案部分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进行实验。
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、实验预备知识
OpenGL作为当前主流的图形API之一，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很容易理解和学习。
（2）强大的可移植性
微软的Direct3D虽然也是十分优秀的图形API，但它只适用于Windows系统，而OpenGL不仅适用于Windows，还可以用于Unix/Linux等其他系统，它甚至在大型计算机、各种专业计算机上都有应用。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。
下面对Windows下的OpenGL编程进行简单介绍。以下几点是学习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Visual C++，C++Builder，Dev-C++等，它们都支持OpenGL。这里选择Visual C++作为学习OpenGL的实验环境。
2.安装OpenGL工具包
1）将OpenGL工具包dll文件夹中的*.dll文件放到操作系统目录下面的system32文件夹（其路径一般为：C:WindowsSystem32）。
2）打开VC，在VC中选择Tools→Options→Directories，然后在Show directories for中选择Include files，在下面添加OpenGL工具包中Include文件夹的路径，如下图所示：
数字图像处理实验指导书
3）类似地，在Show directories for中选择library files，在下面添加OpenGL工具包中lib文件夹的路径，然后按OK。如下图所示：
3.建立一个OpenGL工程
打开VC后，在VC中选择File→New→Project，然后选择Win32 Console Application, 选择一个名字，然后按“OK”。在弹出的对话框中点An empty project，选择Finish。然后向该工程添加一个源文件，选择一个名字。
三、实验报告要求
（1）有实验报告封面
（2）给出简要的设计思路（原理）。（3）给出实现代码。
（4）给出实验结果的屏幕截图。（5）实验的心得体会或建议。
数字图像处理实验指导书
实验一VC++6.0+OpenGL绘图环境及基本图形学算法
实验项目性质：验证性实验 所属课程名称：3D游戏图形学 实验计划学时：3学时
一． 实验目的1、熟悉OpenGL的主要功能；
2、掌握OpenGL的绘图流程和原理；
3、掌握OpenGL核心函数的使用；
4、理解基本图形元素光栅的基本原理；
5、掌握直线和圆的多种生成算法。
二． 实验内容
1、创建一个OpenGL工程，利用OpenGL库函数进行简单图形设计与绘制；
2、编程实现DDA算法和Bresenham算法生成直线；
3、编程实现中点算法生成圆。
三． 实验原理
1、基本语法（C版本下的OpenGL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。
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，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。这些状态一般都用函数glEnable（„）、glDisable（„）来设置，数字图像处理实验指导书
“„”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void glViewport(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（以像素表示）；
函数void glOrtho(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void gluPerspective(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，是使用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。
3、OpenGL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，绘制的每个像素都将使用该颜色，直到当前颜色被设置为其他颜色为止。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。许多状态变量可以通过glEnabel()、glDisable()这两个函数来设置成有效或无效状态，如是否设置光照、是否进行深度测试等；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。
四． 实验代码
1、如预备知识所述，安装OpenGL工具包，创建一个OpenGL工程，在源文件上输入如下代码： #include #include //初始化OpenGL场景 void myinit(void){ glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);glMatrixMode(GL_PROJECTION);gluOrtho2D(0.0,200.0,0.0,150.0);glShadeModel(GL_FLAT);//设置明暗处理 } //用户的绘图过程 void display(void)
//将背景置成黑色
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{ glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);//清除缓存
glBegin(GL_LINES);
//开始画一根白线
glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);//设置颜色为白色
//设置第一根线的两个端点，请注意：OpenGL坐标系的原点是在屏幕左下角 glVertex2f(10.0f, 50.0f);glVertex2f(110.0f, 50.0f);glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);//设置颜色为红色 //设置第二根线的两个端点 glVertex2f(110.0f, 50.0f);glVertex2f(110.0f, 150.0f);glEnd();//画线结束
glFlush();//绘图结束 } // //主过程：
// 初始化Windows的窗口界面 // 并初始化OpenGL场景，绘图 int main(int argc, char** argv){ glutInit(&argc,argv);glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE|GLUT_RGB);//初始化窗口的显示模式 glutInitWindowSize(400,300);//设置窗口的尺寸 glutInitWindowPosition(100,120);//设置窗口的位置 glutCreatWindow（“”）； //创建一个名为“”的窗口 glutDisplayFunc(Display);//设置当前窗口的显示回调函数 myinit（）； //完成窗口初始化
glutMainLoop();//启动主GLUT事件处理循环
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return(0);}
glaux.lib glu32.lib glut32.lib opengl32.lib
注：glShadeModel选择平坦或光滑渐变模式。GL_SMOOTH为缺省值，为光滑渐变模式，GL_FLAT为平坦渐变模式。
该程序是在一个黑色的窗口中画两条线，分别用白色和红色绘制。首先，需要包含头文件#include，这是GLUT的头文件。本来OpenGL程序一般还要包含和，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。然后是main函数，其使用GLUT库实现窗口管理。我们关注的是display()函数，它是我们真正绘图的地方。
函数glColor3f()以RGB方式设置颜色，格式为：glColor3f(red，green，blue)，每种颜色值在（0.0, 1.0)之间。函数glVertex2f(x, y)设置二维顶点。函数glBegin(UINT State)、glEnd()是最基本的作图函数，下面对它作一介绍。
如上所述，OpenGL是一个状态机，glBegin(UINT State)可以设定如下状态： GL_POINTS GL_LINES
画点
画线，每两个顶点(Vertex)为一组
画线，把若干个顶点顺次连成封闭折线 画三角形，每三个顶点为一组 画多边形 GL_LINE_STRIP 画线，把若干个顶点顺次连成折线 GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_QUADS GL_POLYGON 画四边形，每四个顶点为一组
还有GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN, GL_QUADS_STRIP 等等。大家把每一种状态都试一试。另外，程序可以有多组glBegin()、glEnd()并列的形式，如：
......数字图像处理实验指导书
glBegin(GL_LINES);
glBegin(GL_QUADS);......glEnd();......除了上述的基本图元外，函数glRectf(x1, y1, x2, y2)可以画一个矩形，但这个函数不能放在glBegin()和glEnd()之间，下面的两句程序是画一个蓝色的矩形。
glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);glRectf(10.0f, 10.0f, 50.0f,50.0f);......glEnd();要求：利用OpenGL库函数绘制基本图形，输出绘制结果。
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void display(void){
} glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);glRectf(10.0f, 10.0f, 50.0f, 50.0f);//画线结束 glFlush();//绘图结束 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);//清除缓存
glBegin(GL_LINES);
//开始画一根白线
glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);//设置颜色为白色
//设置第一根线的两个端点，请注意：OpenGL坐标系的原点是在屏幕左下角 glVertex2f(10.0f, 50.0f);glVertex2f(110.0f, 50.0f);glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);//设置颜色为红色 //设置第二根线的两个端点 glVertex2f(110.0f, 50.0f);glVertex2f(110.0f, 150.0f);glEnd();
2、创建一个新的OpenGL工程，在源文件上输入如下代码： //DDA算法
# include
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void LineDDA(int x0, int y0, int x1, int y1){
}
void myDisplay(void){
glPointSize(5);glBegin(GL_POINTS);glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f);glVertex2f(0.0f,0.0f);int x, dy, dx, y;float m;dx=x1-x0;dy=y1-y0;m=dy/dx;y=y0;glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);glPointSize(1);for(x=x0;x
} glBegin(GL_POINTS);glVertex2i(x,(int)(y+0.5));glEnd();y+=m;glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);glRectf(25.0,25.0,75.0,75.0);
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} glEnd();LineDDA(0,0,200,300);glBegin(GL_LINES);glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);glVertex2f(100.0f,0.0f);glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f);glVertex2f(180.0f,240.0f);glEnd();glFlush();void Init(){
}
void Reshape(int w, int h){
}
int main(int argc, char * argv[])glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0);glShadeModel(GL_FLAT);glViewport(0,0,(GLsizei)w,(GLsizei)h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluOrtho2D(0.0,(GLdouble)w,0.0,(GLdouble)h);
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{
} 介绍一下glutReshapeFunc（）函数：
首次打开窗口、移动窗口和改变窗口大小时，窗口系统都将发送一个事件，以通知程序员。如果使用的是GLUT，通知将自动完成，并调用向glutReshapeFunc（）注册的函数。该函数必须完成下列工作：
a． 重新建立用作新渲染画布的矩形区域； b． 定义绘制物体时使用的坐标系。如：
void Reshape(int w, int h){ glViewport(0, 0,(GLsizei)w,(GLsizei)h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluOrtho2D(0.0,(GLdouble)w, 0.0,(GLdouble)h);
} 在GLUT内部，将给该函数传递两个参数：窗口被移动或修改大小后的宽度和高度，单位为像素。glViewport()调整像素矩形，用于绘制整个窗口。接下来三个函数调整绘图坐标系，使左下角位置为（0，0），右上角为（w，h）。glutInit(&argc, argv);glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_SINGLE);glutInitWindowPosition(100,100);glutInitWindowSize(400,400);glutCreateWindow(“Hello World!”);Init();glutDisplayFunc(myDisplay);glutReshapeFunc(Reshape);glutMainLoop();return 0;要求：
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（示范代码有错误，指出并改正）；
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示范代码展示：
void LineDDA(intx0, inty0, intx1, inty1){
} float x, dy, dx, y;float m;dx = x1y0;m = dy / dx;y = y0;glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);glPointSize(1);for(x = x0;x
} glBegin(GL_POINTS);glVertex2i(x,(int)(y + 0.5));glEnd();y += m;
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2）根据示范程序采用的算法，以此为基础将其改造为Bresenham算法，写入实验报告；
void Bresenhamline(intx0, inty0, intx1, inty1, intcolor){
int x, y, dx, dy;float k, e;dx = x1y0, k = dy / dx;e =-0.5, x = x0, y = y0;for(int i= 0;i
glPointSize(2.0f);glBegin(GL_POINTS);glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);glVertex2f(x, y);glEnd();
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} } x = x + 1,e = e + k;if(e >= 0){ } y++, e = e4 * radius;float deltaE = 12;float deltaSE = 20-8 * radius;
glPointSize(3);glBegin(GL_POINT);glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);glVertex2i(x, y);glEnd();while(y>x){
if(d
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deltaSE += 8;
}
else
{
d += deltaSE;
deltaSE += 16;
y--;
}
deltaE += 8;
x++;
glBegin(GL_POINTS);
glVertex2i(x, y);
glVertex2i(x,-y);
glVertex2i(-x, y);
glVertex2i(-x,-y);
glVertex2i(y, x);
glVertex2i(y,-x);
glVertex2i(-y, x);
glVertex2i(-y,-x);
glEnd();}
}
