计算机图形学论文设计

1、moxuxiao本科论文（设计）momo学院计算机图形学课程论文（设计）论 文 题 目 彩色三角形制作 姓名（学号） 院 别 专 业 导 师 姓 名 二 一 三 年 六 月彩色三角形制作作 者指导教师摘要：近年来，图形图像制作技术发展很快，尤其是计算机图形学，图像开始进入设计领域，更加促进了设计领域的快速发展。电脑与美术的结合创造了电脑美术艺术。在产品设计、动画、场景漫游等领域都有广泛的应用。本课题的主要任务是基于OPENGL采用Visual C+绘制彩色三角形。主要做了以下几方面的工作：具体包括对软件程序各方面需求及可行性的分析、建立Visual C+6.0环境下的OpenGL程序框架、Op

2、enGL下彩色三角形的具体实现与分析。OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面（API）而适合于广泛的计算环境，从个人计算机到工作站和超级计算机，OpenGL都能实现高性能的三维图形功能。作为目前三维图形开发标准，OpenGL利用其强有力的图形函数以及其支持的MFC（Microsoft Foundation Class）类库编程绘制和实现动画，展示了OpenGL强大的图形图像处理功能。关键词：三角形；计算机图形学；可视化；MFC；图形图像Color triangleAbstract: In recent years, graphics and image technology is

3、developing very quickly, especially the computer graphics, image began to enter the field of design, more promoted the rapid development in the field of design. With the computer and art to create computer art. Has been widely used in product design, animation, scene roaming and other fields. The ma

4、in task of this project is OPENGL the Visual C+ rendering based on color triangle. The following work: including the software program in all aspects of the demand and feasibility analysis, the establishment of Visual under the environment of C+6.0 OpenGL application framework, OpenGL implementation

5、and analysis of color triangle. OpenGL as a performance superior graphics application programming interface (API) for computing environment widely, from the personal computer to the workstation and supercomputer, OpenGL can achieve high performance 3D graphics function. As the development of 3D grap

6、hics standard, OpenGL uses its powerful graphics functions as well as its support for the MFC (Microsoft Foundation Class) and the realization of animation class library programming, shows the powerful function of OpenGL graphics image processing.Keywords: Triangle; computer graphics; visualization;

7、 MFC; image目 录1.绪论.（4）2.开发环境的构建.（5）2.1 开发环境简述.（5）2.2 Visual C+6.0软件简介 .（5）2.3 OpenGL概述.（6）3系统分析与设计.（8）3.1 OpenGL材质与光照的原理.（8）3.2 OpenGL几何变换的原理与设计.（9）3.3 OpenGL动画的设计.（9）3.4 OpenGL纹理的设计.（10）4系统实现.（11）4.1 彩色三角形项目建立.（11）4.2 彩色三角形程序功能实现.（12）5运行结果与分析.（14）5.1运行结果.(16)5.2结果分析.(18)结束语.（18）参考文献.（19）1绪论: 随着文化和科

8、技的飞速发展，计算机技术也得到快速的跟进与发展，计算机图形学是计算机科学中一个重要领域，它使用计算方法产生图形与图像，在人机信息交流、计算机辅助设计、科学及统计数据形象化，以及数字化艺术创作等多方面有广泛的应用。归结起来计算机图形学在现代生活中起到不可忽略的作用，在计算机图形学中应用程序设计界面OpenGL是重点理论知识。OpenGL作为一种图形与硬件的接口，与其他图形程序开发工具相比较，它提供了众多图形函数，直观的编程环境简化了三维图形程序。本设计就是利用计算机的图形学和对图像的处理来设计三角形，利用OpenGL软件平台下通过Visual C+编辑语言来对光线和颜色的物理性质、光的传播与反射

9、，以及人的视觉系统做一些处理。本论文是从环境平台的构建、系统分析与设计、系统实现、结果运行与分析这四章模块一一论述。总之，本论文课题在OpenGL软件平台下通过VC+6.0来对彩色三角形的大小、结构、颜色以及动画效果都做出了具体的叙述，通过语言的编写对彩色三角形的具体参数进行设置，使最终在视觉上产生动态效果和艺术效果，达到以三维图像效果出现使观察者可以在视觉上得以享受。最终达到论文的理论要求，也充分体现出此次论文的实际研究价值。2开发环境的构建2.1 开发环境简述Visual C+是微软公司推出的基于Windows环境的一种面向对象的可视化编程环境，被公认为微软第一计算机语言。尽管Visual

10、 C+是可视化编程中的佼佼者，但它并不是图形图像编程的最好选择。OpenGL是一个与图形硬件无关的应用程序开发接口(API)，是一个完全可移植、速度很快的3D图形和建模库，具有图形质量高、可靠性高、可移植性好等众多优点，可以运行在Window平台和UNIX平台上。为了利用Visual C+6.0的强大功能来实现对OpenGL三维图形的绘制，微软将OpenGL集成到了Windows中，Windows提供了OpenGL32DLL和GLU32DLL动态链接库，Visual C+6.0包含了GL库(opengl32Lib)、辅助库(glaux1ib)和实用库(glu321ib)。这使OpenGL成为最

11、优秀的可化编程接口之一，可以方便地利用这个图形库，使编程简单、快速，OpenGL中的RGBA颜色模式，结合反走样和颜色融合，使图形图像更加逼真。所以，Visual C+6.0结合OpenGL编程是一种比较合理的选择。2.2 Visual C+ 6.0软件简介Visual C+6.0，简称VC或者VC6.0，是微软推出的一款C+编译器，将“高级语言”翻译为“机器语言（低级语言）”的程序3。Visual C+是一个功能强大的可视化软件开发工具。Visual C+6.0由Microsoft开发, 它不仅是一个C+ 编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境（integrated

12、 development environment，IDE）。Visual C+6.0由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导AppWizard、类向导Class Wizard等开发工具。 这些组件通过一个名为Developer Studio的组件集成为和谐的开发环境。Microsoft的主力软件产品。Visual C+是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C+1.0后，随着其新版本的不断问世，Visual C+已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了Visual C+.NET(Visual C+7.0)，但它的应用的很大

13、的局限性，只适用于Windows 2000，Windows XP和Windows NT4.0。所以实际中，更多的是以Visual C+6.0为平台。通常使用Visual C+6.0软件时，可以在正规软件下载网站上下载VC+6.0，存放在本地磁盘。运行.exe文件，按安装向导一步一步的操作，直到VC+ 6.0安装成功。Visual C+6.0软件的特点：（1）Visual C+6.0是Microsoft公司推出的功能最强大、最复杂的编程语言之一，它基于C/C+语言，因此在学习它之前应该对C+程序设计语言以及Visual C+6.0的特点做一了解；（2）Visual C+6.0是运行于Window

14、s操作系统中的交互式、可视化集成开发软件，它是在Windows环境下进行大型软件开发的首选编程语言，同其他可视化开发软件一样，Visual C+6.0集程序的代码编辑、编译、连接、调试等功能于一体，为编程人员提供一个既完整又方便的开发环境；（3）除了和其他软件所共同的优点以外，Visual C+6.0还具备一些其他可视化集成开发软件不具备的特点；（4）Visual C+6.0的语法符合ANSIC+标准，并在此基础上针对Windows操作系统增加了一些语句；（5）集成了MFC类库，MFC封装了Windows API函数和消息，使编程人员可使用它高效率地开发各种应用程序；（6）提供了MFC App

15、Wizard，可方便地生成程序框架；（7）提供了基于MFC的ClassWizard，通过它可轻松完成对各种MFC类的使用与维护。2.3 OpenGL概述微软每推出一个重要的Windows版本，一般都会同时推出一个SDK（Software Development Kit）。SDK包含了开发该Windows版本所需的Windows函数和常数定义、API函数说明文档、相关工具和示例。SDK是Software Development Kit的缩写，中文意思是“软件开发工具包”。 开发 Windows 平台下的应用程序所使用的 SDK只是广义 SDK 的一个子集。首先要接触的是“API”，也就是 App

16、lication Programming Interface，其实就是操作系统留给应用程序的一个调用接口，应用程序通过调用操作系统的 API 而使操作系统去执行应用程序的命令（动作）。在 Windows 中，系统 API 是以函数调用的方式提供的。同样是取得操作系统的版本号，在 Windows 中所要做的就是调用 GetVersionEx() 函数1。DLL即 Dynamic Link Library（动态链接库）。我们经常会看到一些 .dll 格式的文件，这些文件就是动态链接库文件，其实也是一种可执行文件格式。跟 .exe 文件不同的是，.dll 文件不能直接执行，他们通常由 .exe 在执

17、行时装入，内含有一些资源以及可执行代码等。为了使用 DLL 中的 API 函数，我们必须要有 API 函数的声明（.H）和导入库（.LIB）1。OpenGL是一种过程性而不是描述性的图形API2，它并不描述场景以及外观。OpenGL的基础是以两百多个函数组成。比如四方体、长方体等。另外，OpenGL支持RGBA颜色模式、光照、缩小放大、旋转以及许多其它特殊效果和功能。这些函数分放在两个函数库内：一个是OpenGL核心函数库（Core Library），称为gl或GL，另一个是OpenGL实用函数库（Utility Library），称为GLU。实用函数库中的函数是用核心函数库中的函数库写成。如

18、图1所示。表（一）另外还有一个为与系统无关的视窗及交互操作提供支持的OpenGL实用工具库（Utility Toolkit），称为glut或GLUT，该工具库已在不同的系统平台上实现，通过适当的函数库与底层的视窗操作系统接口。例如WGL用于微软视窗（Microsoft Windows）。OpenGL可以被看成是一台状态机，即一个由它当前的状态来决定其行为的系统，而这个系统当前的状态则取决于各系统变量与系统设置此时此刻的值。大多数OpenGL函数分属两个类型：一类用于改变系统的状态（例如向帧缓冲器画图所用的颜色，以及将三维物体投影到二维视平面的方式），另一类则将代表几何物体的数据传给系统进行处理

19、（例如用系统目前设定的画图颜色在给定的两点之间画一条直线，或者用系统目前设定的投影方式画出一张书桌的正视图）。在图形实现流程中，OpenGL及其他图形API的内在工作方式有一个重要的结构与操作特征，即图形实现流程或图形流水线。对图形API而言，代表要描绘的几何物体的数据构成图形流水线的输入。流水线按系统的默认设置或用户指定的设置完成如空间操纵（包括移动、缩放、旋转）等各种操作，最后产生一幅描绘这些物体的图像。流水线由两步组成：几何变换与扫描转换。几何变换旨在对进入流水线的数据履行空间操纵，扫描转换则将变换后的物体映射到图像空间，也就是像素坐标系所在的离散空间。OpenGL是专门为三维图像生成而

20、设计的。其中没有单独的二维绘图流水线，所有二维都作为对应的在维操作的特例来处理。三维图形流水线除此之外还需要几项附加作业。作业之一是将三维信息投影到二维视平面上，这项操作等价于照相时镜头所起的作用。另一项作业是隐藏面消隐，被处于观察者视线上的不透明物体部分或全部遮挡的物体表面不应出现的图像里。此外还有必要进行光照计算以模拟物体表面的自然阴影。许多应用程序（特别是交互式应用程序）利用OpenGL实用工具库为事件驱动程序设计所提供的支持2。此种应用程序通常在必要的初始化之后进入GLUT事件处理循环。在Opengl函数语法以及语法的规定中通常对数据的类型有一定的要求。由于原始数据类型（如整型）的长短

21、大小可能因系统不同而有差异，OpenGL采用名为Glint，GLfloat及GLdouble等内置数据类型。3系统分析与设计OpenGL实现彩色三角形效果是一个集颜色、材质与光照、几何变换等于一体的功能实现。其中彩色三角形颜色的变换，体型的改变是整个设计的核心部分，再加上光照的渲染，使整个三角形的设计更加真实。在这一论文中，采用OpenGL技术，通过读入.cpp文件，在彩色三角形结构、颜色变换、三维视角下观察彩色三角形等方面完成代码实现。下面就分别对这些实现技术进行详细的介绍。3.1 OpenGL材质与光照的原理从视觉角度讲，光有三个基本特征。第一个称为亮度，这对应于光的称为光度的物理性质4。

22、光度是对光所携带的总能量的度量。光的光度越高，它对观察者来说就越明亮。光的第二个视觉上的特征称为色调，这是用来将白光与红光或绿光区分开来。从理想化的能量分布的光来讲，色调对应于另一个称为该分布的主导波长的物理性质。第三个视觉上的特征称为饱和度，用来描述光的鲜艳程度。饱和度对应于称为激励纯度的物理性质。后者被定义为光度中分配给主导或纯正颜色部分的百分比。三基色理论在光学中属于最基本的理论知识，假定S代表某一给定光，即引起颜色感觉的外界刺激。我们可以通过按适当比例将来自三种颜色（三原色）的光源的光混合在一起来取得S的效果（也就是看到S的观察者的颜色感觉）：换句话说，对于观察者来说，给定光和来自三原

23、色光源的成比例的混合光看起来完全一样。理论上只要三种颜色中没有任何一种可以用另外两种的线性组合来表示，也就是说没有任何一种的视觉效果可以通过另外两种的线性混合来获得，这三种颜色就构成一组三原色。OpenGL用材料对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义材料的颜色5。像光源一样，材料颜色也分成环境、漫反射和镜面反射成分，它们决定了材料对环境光、漫反射光和镜面反射光的反射程度。在进行光照计算时，材料对环境光的反射率与每个进入光源的环境光结合，对漫反射光的反射率与每个进入光源的漫反射光结合，对镜面光的反射率与每个进入光源的镜面反射光结合。对环境光与漫反射光的反射程度决定了材料的颜色，并且它们很相似。

24、对镜面反射光的反射率通常是白色或灰色（即对镜面反射光中红、绿、蓝的反射率相同）。镜面反射高光最亮的地方将变成具有光源镜面光强度的颜色。例如一个光亮的红色塑料球，球的大部分表现为红色，光亮的高光将是白色的。在材质RGB值和光源RGB值的关系中材质的颜色与光源的颜色有些不同。对于光源，R、G、B值等于R、G、B对其最大强度的百分比。若光源颜色的R、G、B值都是1.0，则是最强的白光；若值变为0.5，颜色仍为白色，但强度为原来的一半，于是表现为灰色；若RG1.0，B0.0，则光源为黄色。对于材质，R、G、B值为材质对光的R、G、B成分的反射率。比如，一种材质的R1.0、G0.5、B0.0，则材质反射

25、全部的红色成分，一半的绿色成分，不反射蓝色成分。也就是说，若OpenGL的光源颜色为（LR、LG、LB），材质颜色为（MR、MG、MB），那么，在忽略所有其他反射效果的情况下，最终到达眼睛的光的颜色为（LR*MR、LG*MG、LB*MB）。同样，如果有两束光，相应的值分别为（R1、G1、B1）和（R2、G2、B2），则OpenGL将各个颜色成分相加，得到（R1+R2、G1+G2、B1+B2），若任一成分的和值大于1（超出了设备所能显示的亮度）则约简到1.0。在实际应用的许多情况下，不同的物体或同一物体的不同部分都有可能设置不同的材质，OpenGL函数库提供了两种方式实现这种要求。3.2 Ope

26、nGL几何变换的原理及设计计算机图形系统的基本功能之一是模拟在空间对物体进行操纵。这种模拟的空间操纵称为变换。我们可以从两种互补的观点出发来描述物体的变换。第一种是物体本身相对于一个固定不动的坐标系或背景作变换。此观点从数学角度讲就是对物体上的每一个点进行几何变换。第二种观点将物体看成固定不动，而坐标系则相对于物体作变换。这一效果可通过进行坐标变换来取得。物体的空间操纵有三种基本形式。第一，它们可以在不改变大小和朝向的前提下移动到新的位置。第二，它们可以被放大和缩小。第三，它们可以绕一个点或一条轴旋转。但本论文设计中只应用了后两者几何变换。在OpenGL程序设计中，在缩放以及旋转几何变换时首先

27、必须建立modelview的矩阵6。它是和来进行建模变换与观察变换的合成变换矩阵6。这个建模与观察矩阵的初始化可以通过以下语句完：glMatrixMode(GL_MODELVIEW)；glLoadIdentity()；其中glMatrixMode将建模与观察矩阵设为系统当前的矩阵，所有随后指定的变换都对当前的矩阵生效。3.3 OpenGL动画的设计本论文在设计过程中为了达到艺术上的效果和最终在视觉上产生动态效果，达到以三维图像效果出现，通过运行程序所设计的彩色三角形会在人为的单击控制下可以在运行和停止之间相互切换，这样就实现了Opengl的动画设计。在Windows编程模型设计中，用计时器方法

28、来实现动画是非常简洁。在编程环境下创建一个计时器，该计时器通知Windows想让WM_TIMER消息隔多长时间给当前的窗口发送信息。Windows通过响应这个消息，就能够以一定的时间间隔完成所要完成的任务和达到最终想得到的效果7。处理计时器事件时，设置一个情况语句用来处理WM_TIMER消息，在该消息处理语句中，可以实现OpenGL中所要求的渲染，贴图等，也可以产生连续更新的图像8。下面就是实现动画的过程的语句： glutPostRedisplay()；glutTimerFunc(200,timer,0)；在语句中glutTimerFunc(200,timer,0)；语句就是初始时注册一个定时

29、器的回调函数。glutPostRedisplay()；表示标记当前窗口需要重新绘制。3.4 OpenGL纹理的设计纹理映射是一项有助于获得比较真实感和多样化胡表面着色技术，在二维纹理图中对映射函数的一个常规制约是要使纹理图成比例地伸展和收缩8OpenGL系统中实现纹理映射包括5个基本步骤：（1）建立一个纹理并指定其纹理类型；（2）指明该纹理的使用方式；（3）为该纹理对象产生一张纹理图；（4）启用纹理映射功能；（5）通过为各顶点提供几何坐标以及纹理坐标来绘制接受映射的物体。4系统实现4.1彩色三角形项目建立首先在vc+ 6.0中创建一个新的项目工程如图所示。图(一)图(二)然后点击文件选择c+

30、source file 设置文件名点击确定进行编辑实现彩色三角形的设计4.2彩色三角形程序功能实现 程序(一)#include #include #include void display()glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); /清除帧缓存glBegin(GL_TRIANGLES); /绘制三角形glColor3f(1,1,0); /设置颜色为黄色glVertex2f(0,0.7);glColor3f(0,1,1); /设置颜色为青色glVertex2f(-0.7,-0.7);glColor3f(1,0,1); /设置颜色为粉红色glVertex2f(0.7,-0.7)

31、;glEnd();glFlush(); int main( int argc, char *argv) glutInit(&argc, argv); / GLUT 初始化函数 glutInitWindowPosition(200,100); / 设置窗口位置, 从左上角开始 glutCreateWindow(彩色三角形); /窗口名称/ 设置绘制回调函数，把一个绘制函数的指针传给系统，系统会在需要重绘的时候自动来调用你提供的绘制函数 glutDisplayFunc(display); int();glutMainLoop(); / 进入GLUT的主消息循环，直到绘制窗口被关闭时该行代码才执行完

32、毕,进入下一行 return 0; 程序(二)#include #include #include void display()glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); /清除帧缓存glBegin(GL_TRIANGLES); /绘制三角形glColor3f(1,0,0); /设置颜色为红色glVertex2f(0,0.7);glColor3f(0,1,0); /设置颜色为绿色glVertex2f(-0.7,-0.7);glColor3f(0,0,1); /设置颜色为蓝色glVertex2f(0.7,-0.7);glEnd();glFlush(); int main( int

33、 argc, char *argv) glutInit(&argc, argv); / GLUT 初始化函数 glutInitWindowPosition(200,100); / 设置窗口位置, 从左上角开始 glutCreateWindow(彩色三角形); /窗口名称/ 设置绘制回调函数，把一个绘制函数的指针传给系统，系统会在需要重绘的时候自动来调用你提供的绘制函数 glutDisplayFunc(display); int();glutMainLoop(); / 进入GLUT的主消息循环，直到绘制窗口被关闭时该行代码才执行完毕,进入下一行 return 0; 程序(三)#include #

34、include #include void display()glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); / 清除帧缓存glBegin(GL_TRIANGLES); /绘制三角形glColor3f(1,0,0); /设置颜色为红色glVertex2f(0,0.7);glColor3f(1,1,0); /设置颜色为黄色glVertex2f(-0.7,-0.7);glColor3f(1,1,1); /设置颜色为灰色glVertex2f(0.7,-0.7);glEnd();glFlush(); int main( int argc, char *argv) glutInit(&arg

35、c, argv); / GLUT 初始化函数 glutInitWindowPosition(200,100); / 设置窗口位置, 从左上角开始 glutCreateWindow(彩色三角形); /窗口名称/ 设置绘制回调函数，把一个绘制函数的指针传给系统，系统会在需要重绘的时候自动来调用你提供的绘制函数 glutDisplayFunc(display); int();glutMainLoop(); / 进入GLUT的主消息循环，直到绘制窗口被关闭时该行代码才执行完毕,进入下一行 return 0; 程序(四)#include #include #include void display()g

36、lClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); / 清除帧缓存glBegin(GL_TRIANGLES); /绘制三角形glColor3f(1,0,1); /设置颜色为粉红色glVertex2f(0,0.7);glColor3f(1,1,0); /设置颜色为黄色glVertex2f(-0.7,-0.7);glColor3f(1,1,1); /设置颜色为灰色glVertex2f(0.7,-0.7);glEnd();glFlush(); int main( int argc, char *argv) glutInit(&argc, argv); / GLUT 初始化函数 glutInitWindowPosition(200,100); / 设置窗口位置, 从左上角开始 glutCreateWindow(彩色三角形); /窗口名称/ 设置绘制回调函数，把一个绘制函数的指针传给系统，系统会在需要重绘的时候自动来调用你提供的绘制函数 glutDisplayFunc(display); Int();glutMainLoop(); / 进入GLUT的主消息循环，直到绘制窗口被关闭时该行代码才执行完毕,进入下一行 return 0; 5.运行结果与分析5.1运行结果图(三)图（四）图（五）图(六)5.2结果分析本次毕业设计内容是基于Op