图形学实验报告

1、课 程 设 计 报 告实验名称： 计算机图形学实验 目 录1.1 实验目的与要求.11.2 实验任务内容与步骤.1实验一.1 实验二.31.3 实验结果.3实验一结果.3实验二结果.81.4 心得体会.81.5 源代码.91.1 实验目的与要求：目的： 利用OpenGL库，对课本的图形原理进行C语言编程，从而实现各种绘图算法。从中进一步了解计算机图形学的原理，加深对课程内容的理解，逐步掌握算法原理的实现过程。另外，初步掌握OpenGL的基本使用方法，能够使用其进行简单图形、图素的绘制。 实验要求：I(1)理解glut程序框架(2)理解窗口到视区的变换(3)理解OpenGL实现动画的原理(4)添

2、加代码实现中点Bresenham算法画直线(5)添加代码实现改进Bresenham算法画直线(6)添加代码实现圆的绘制（可以适当对框架坐标系进行修改II.(1)理解OpenGL中的变换过程(2)理解透视投影与平行投影的不同(3)添加代码实现太阳、地球和月亮的运动模型(4)了解深度测试(5)通过变换调整观察的位置与方向(6)加入光照模型 1.2 实验内容和实验步骤：实验一、利用各种算法实现直线与圆的扫描转换，在对应图中显示的同时，还要在控制台中打印显示像素点的坐标，以及误差d，e的值。(1）中点Bresenham算法利用中点Bresenham算法画出直线，其中直线的斜率要求为：0<=k&l

3、t;=1.具体参数如下： x0,y0 起点坐标x1,y1 终点坐标num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目算法实现流程步骤： 1. 对斜率k以及扫描点个数进行可行性判断。 2通过起始点和终点，确定最大位移方向。 3. 算出d0，以及dx，dy，由最大位移方向确定dx，dy在不同情况下的增量UpIncre，DownIncre。 4. 通过循环根据di逐步确定xi，yi，从而完成直线绘制。(2）改进的Bresenham算法利用改进的Bresenham算法画出直线，其中直线的斜率要求为：0<=k<=1.具体参数如下： x0,y0 起点坐标x1,y1 终点坐标num 扫描转换时从起点开始

4、输出的点的数目算法实现流程步骤： 1. 对斜率k以及扫描点个数进行可行性判断。 2通过起始点和终点，确定最大位移方向。 3. 算出dx，dy，由最大位移方向确定变化量e。 4. 通过循环根据逐步确定xi，yi，以及修改ei的值从而完成直线绘制。(3）Bresenham算法画圆利用圆对称性八分法，以及Bresenham算法画圆。具体参数如下： x,y 圆心坐标 R 圆半径 num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目 算法实现流程步骤： 1. 设置起点坐标，以及误差d0初始值。 2导出d在不同情况下的递推公式，以及x和y变化的范围（在 八分之一圆弧范围内）。 3. 根据x，y的界限设置循环： ：按

5、照八分法在不同位置同步显示像素点。 ：打印所显示像素点的坐标。 ：由递推公式更新d以及x，y的值。实验二、根据原子核转动的模型，仔细研读代码，修改成：月球绕地球旋转，地球绕太阳旋转的地月模型。同时要求，各个天体用不同的颜色相区分，通过代码添加地球与月亮受太阳光照反射的光照效果。步骤：（1） 初始化各种属性，光源颜色，材质属性，深度测试，多边形表示的方法以及背景颜色。（2） 设置视区的大小尺寸，同时对空间进行修剪，确定观察空间。（3） 在函数模块RenderScene中添加月亮绕地球旋转的恢复矩阵；再添加一个类似于电子的属性表，用以描述月亮；同时修改各个天体的颜色，用以区分。（4） 调整各个天体

6、的大小，同时对最大的天体太阳的显示边数进行修改，增加其边数使太阳边界更为圆滑。（5） 为月球绕地球的旋转添加新的旋转步长，使得月亮绕地球以及地球绕太阳旋转的速度有所区分，模拟出地月运行的效果。（6） 在initial初始化函数中添加设置光照的代码，同时把光照效果中光源的坐标位置设置为与太阳坐标位置相同。（7） 调试运行观察运行的情况，着重检查：天体间的运行是否具有相对独立性；光照效果中，由于太阳本身是光源因此不应该存在光照效果1.3 实验结果：实验一、（1）DDA画线算法:图1.1各像素点坐标：图1.2（2） 中点Bresenham算法：扫描转化情况：图1.3像素点机误差d的值：图1.4（3）

7、 改进的Bresenham算法 扫描转化结果：图1.5像素点坐标及误差e：图1.6(3）Bresenham算法画圆圆的扫描转化： 图1.7 图1.8 图1.9 图1.10圆的像素点坐标值及误差d： 图1.11 图1.12实验二、地月模型结果：图2.1图2.21.4 心得体会： 本次实验，通过OpenGL的图形库实现了各种图形的扫描算法。在把用数学和自然语言描述的算法转化成C语言代码从而付诸于程序实现的过程中，也加深了对各个算法的理解。通过运行各个算法，尤其是直线扫描的各个算法的结果，可以看出各个算法的执行结果并不一致，直线不滑行在不同的情况下也有所区别，这是仅仅通过学习算法原理所不能获得的体会

8、。而且程序运行的过程是一步步分解的过程，例如八分法画圆的算法，就可以看出从圆弧生成真个圆形的全过程，是化抽象为具体的一个很好的例子。另一方面，在OpenGL图形库的帮助下，完成了很多复杂的图形程序，如地月模型，也让我认识的这个图形库功能的强大。而在助教检查验收时，对我们提出的种种问题，有时候也没法及时回答上来，这是自己对算法了解仍不够透彻的体现，希望以后多加努力。总而言之，本次实验通过化抽象为具体，使我能够直观地认识到图形学中很多算法的执行原理与效果，是对课程的一次很好的延伸与拓展。1.5 源程序：实验一、#include <windows.h>#include <gl/gl

9、ut.h>#include "stdio.h"int m_PointNumber = 0; /动画时绘制点的数目int m_DrawMode = 1; /绘制模式 1 DDA算法画直线 / 2 中点Bresenham算法画直线 / 3 改进Bresenham算法画直线 / 4 八分法绘制圆 / 5 四分法绘制椭圆void DrawCordinateLine(void)int i = 0 ;/坐标线为黑色glColor3f(0.0f, 0.0f ,0.0f);glBegin(GL_LINES); for (i=10;i<=250;i=i+10)glVertex2f

10、(float)(i), 0.0f);glVertex2f(float)(i), 250.0f);glVertex2f(0.0f, (float)(i);glVertex2f(250.0f, (float)(i);glEnd();/绘制一个点，这里用一个正方形表示一个点。void putpixel(GLsizei x, GLsizei y)glRectf(10*x,10*y,10*x+10,10*y+10);/DDA画线算法 /参数说明：x0,y0 起点坐标 / / x1,y1 终点坐标 / / num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目，用于动画 / void DDACreateLine(GL

11、sizei x0, GLsizei y0, GLsizei x1, GLsizei y1, GLsizei num)/设置颜色glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);/对画线动画进行控制if(num = 1)printf("DDA画线算法：各点坐标n");else if(num=0)return;/画线算法的实现GLsizei dx,dy,epsl,k;GLfloat x,y,xIncre,yIncre;dx = x1-x0;dy = y1-y0;x = x0;y = y0;if(abs(dx) > abs(dy) epsl = abs(dx);else

12、epsl = abs(dy);xIncre = (float)dx / epsl ;yIncre = (float)dy / epsl ;for(k = 0; k<=epsl; k+)putpixel(int)(x+0.5), (int)(y+0.5);if (k>=num-1) printf("x=%f,y=%f,取整后 x=%d,y=%dn", x, y, (int)(x+0.5),(int)(y+0.5);break;x += xIncre;y += yIncre;if(x >= 25 | y >= 25) break;/中点Bresenham

13、算法画直线(0<=k<=1) /参数说明：x0,y0 起点坐标 / / x1,y1 终点坐标 / / num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目，用于动画 / void BresenhamLine(GLsizei x0, GLsizei y0, GLsizei x1, GLsizei y1, GLsizei num)glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);int k=0;if(num = 1)printf("中点Bresenham算法画直线：各点坐标及判别式的值n");else if(num=0)return;GLsizei dx,dy,d,UpIn

14、cre,DownIncre,x,y,xend;if(x0>x1)x=x1;x1=x0;x0=x;y=y1;y1=y0;y0=y;x=x0;y=y0;dx=x1-x0;dy=y1-y0;d=dx-2*dy;UpIncre=2*dx-2*dy;DownIncre=-2*dy;while(x<=x1)putpixel(x,y);if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", x, y,d);break;k+;x+;if(d<0)y+;d+=UpIncre;elsed+=DownIncre;/改进的Bresenham算

15、法画直线(0<=k<=1) /参数说明：x0,y0 起点坐标 / / x1,y1 终点坐标 / / num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目，用于动画 / void Bresenham2Line(GLsizei x0, GLsizei y0, GLsizei x1, GLsizei y1, GLsizei num)glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);if(num = 1)printf("改进的Bresenham算法画直线：各点坐标及判别式的值n");else if(num=0)return;int k=0;GLsizei x,y,dx,dy,e

16、;dx=x1-x0;dy=y1-y0;e=-dx;x=x0;y=y0;while(x<=x1)if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,e=%dn", x, y,e);break;k+;putpixel(x,y);x+;e=e+2*dy;if(e>0)y+;e=e-2*dx;/Bresenham算法画圆 /参数说明：x,y 圆心坐标 / / R 圆半径 / / num 扫描转换时从起点开始输出的点的数目，用于动画 / void BresenhamCircle(GLsizei x, GLsizei y, GLsizei R, G

17、Lsizei num)glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f);if(num = 1)printf("Bresenham算法画圆：各点坐标及判别式的值n");int i=1;GLsizei d,swap;x=0;y=R;d=1-R;int k=0;for(i=1;i<=2;i+) x=0;y=R;d=1-R;while(x<=y)if(i=1)if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13+x, 13+y,d);break;k+;putpixel(13+x,13+y);if (k&

18、gt;=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13-x, 13+y,d);break;k+;putpixel(13-x,13+y);if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13-x, 13-y,d);break;k+;putpixel(13-x,13-y);if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13+x, 13-y,d);break;k+;putpixel(13+x,13-y);elseif

19、 (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13+y, 13+x,d);break;k+;putpixel(13+y,13+x);if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13-y, 13+x,d);break;k+;putpixel(13-y,13+x);if (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13-y, 13-x,d);break;k+;putpixel(13-y,13-x);if

20、 (k>=num-1) printf("取整后 x=%d,y=%d,d=%dn", 13+y, 13-x,d);break;k+;putpixel(13+y,13-x);if(d<0)d+=2*x+3;elsed+=2*(x-y)+5;y-;x+;/初始化窗口void Initial(void) / 设置窗口颜色为蓝色 glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);/ 窗口大小改变时调用的登记函数void ChangeSize(GLsizei w, GLsizei h)if(h = 0)h = 1;/ 设置视区尺寸 glViewpor

21、t(0, 0, w, h);/ 重置坐标系统glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();/ 建立修剪空间的范围 if (w <= h) glOrtho (0.0f, 250.0f, 0.0f, 250.0f*h/w, 1.0, -1.0); else glOrtho (0.0f, 250.0f*w/h, 0.0f, 250.0f, 1.0, -1.0);/ 在窗口中绘制图形void ReDraw(void)/用当前背景色填充窗口glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);/画出坐标线DrawCordinateLine();swi

22、tch(m_DrawMode)case 1:DDACreateLine(0,0,20,15,m_PointNumber);break;case 2:BresenhamLine(0,0,20,15,m_PointNumber);break;case 3:Bresenham2Line(0,0,20,15,m_PointNumber);break;case 4:BresenhamCircle(0,0,10,m_PointNumber);break;default:break; glFlush();/设置时间回调函数void TimerFunc(int value)if(m_PointNumber =

23、 0)value = 1;m_PointNumber = value;glutPostRedisplay();glutTimerFunc(500, TimerFunc, value+1);/设置键盘回调函数void Keyboard(unsigned char key, int x, int y) if (key = '1') m_DrawMode = 1;if (key = '2') m_DrawMode = 2;if (key = '3') m_DrawMode = 3;if (key = '4') m_DrawMode =

24、4;m_PointNumber = 0;glutPostRedisplay();/void main(void)int main(int argc, char* argv)glutInit(&argc, argv);/初始化GLUT库OpenGL窗口的显示模式glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize(600,600);glutInitWindowPosition(100,100);glutCreateWindow("基本图元绘制程序"); glutDisplayFunc(ReDra

25、w); glutReshapeFunc(ChangeSize); glutKeyboardFunc(Keyboard);/键盘响应回调函数glutTimerFunc(500, TimerFunc, 1); / 窗口初始化 Initial();glutMainLoop(); /启动主GLUT事件处理循环return 0;实验二、#include <windows.h>#include <gl/gl.h>#include <gl/glu.h>#include <gl/glut.h>void Initial()/太阳白色光源GLfloat mat_am

26、bient=0.2f,0.2f,0.2f,0.1f;GLfloat mat_diffuse=0.9f,0.9f,0.9f,1.0f;GLfloat mat_specular=1.0f,1.0f,1.0f,1.0f;GLfloat mat_shininess=25.0f;GLfloat mat_emission=0.0f,0.0f,0.0f,1.0f;GLfloat light0_diffuse=1.0f,1.0f,1.0f,1.0f;GLfloat light0_position=0.0f,30.0f,-250.0f,1.0f;/GLfloat light1_ambient=0.2f,0.2f

27、,0.2f,1.0f;/GLfloat light1_diffuse=0.2f,0.2f,0.2f,1.0f;/GLfloat light1_position=0.0f,0.0f,250.0f,0.0f;GLfloat spot_direction=1.0f,1.0f,-1.0f;/定义材质属性glMaterialfv(GL_FRONT,GL_AMBIENT,mat_ambient);glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,mat_specular);glMaterialfv

28、(GL_FRONT,GL_SHININESS,mat_shininess);glMaterialfv(GL_FRONT,GL_EMISSION,mat_emission);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light0_diffuse);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light0_position);/glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,light1_diffuse);/glLightfv(GL_LIGHT1,GL_POSITION,light1_position);/glLightModefv(GL_LI

29、GHT_AMBIENT,1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);glColorMaterial(GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION);glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0);glEnable(GL_DEPTH_TEST);/ 启用深度测试glFrontFace(GL_CCW);/ 指定逆时针绕法表示多边形正面glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f );/背景为白色void ChangeSize(int w, int h)if(h = 0)

30、h = 1;/ 设置视区尺寸 glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();/ 设置修剪空间GLfloat fAspect;fAspect = (float)w/(float)h;gluPerspective(45.0, fAspect, 1.0, 500.0);/* if (w <= h) glOrtho (-nRange, nRange, nRange*h/w, -nRange*h/w, -nRange*2.0f, nRange*2.0f);else glOrtho (-nRange*w/h,

31、nRange*w/h, nRange, -nRange, -nRange*2.0f, nRange*2.0f);*/gluPerspective(45.0,(double)w/(double)h,0,0);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();void RenderScene(void)/ 绕原子核旋转的角度static float fElect1 = 0.0f; static float fElect11 = 0.0f;glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);/ 重置模型视图矩阵glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();/将图形沿z轴负向移动glTranslatef(0.0f, 30.0f, -250.0f);/ 绘制红色的原子核glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);glutSolidSphere(20.0f, 55, 55);/ 当前绘制颜色变为lan色glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);/绘制第一个ear