指導(dǎo)書之2-3D旋轉(zhuǎn)魔方

1、軟件課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書系列之二課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書基于OpenGL的3D旋轉(zhuǎn)魔方實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師：楊 文 濤 Mail:unxioracle2000Mobile中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系2011年2月20日14一、課程設(shè)計(jì)的目的和意義本課程目的和意義 通過本課程單元的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對軟件工程項(xiàng)目從整體上有一個較清晰的了解和認(rèn)識；可以提高學(xué)生的軟件編程能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程興趣，培養(yǎng)良好的編程習(xí)慣。這對當(dāng)前推進(jìn)大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)普及教育，提高大學(xué)生計(jì)算機(jī)使用水平具有積極的意義。二、課程設(shè)計(jì)的要求1. 掌握軟件開發(fā)模式，結(jié)構(gòu)模塊化分析，程序設(shè)計(jì)流程；2. 學(xué)會使用當(dāng)前流行的開發(fā)工具軟件V

2、isual C+6.0，能獨(dú)立編制中低難度的應(yīng)用程序軟件；3. 掌握有關(guān)程序設(shè)計(jì)思想、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、常用C語言算法，掌握OpenGL開發(fā)；.4. 初步培養(yǎng)需求分析，軟件測試、調(diào)試的能力；.三、 本單元課程設(shè)計(jì)描述 基于OpenGL的3D魔方實(shí)現(xiàn)：在3D空間中實(shí)現(xiàn)2X2魔方，各個魔方單元格顯示不同的貼圖，魔方體能在3D空間自由旋轉(zhuǎn)、每層也能旋轉(zhuǎn)。 通過軟件程序來模擬這個實(shí)際日常生活中魔方玩具。對于學(xué)有余力的學(xué)生可以嘗試3X3魔方，其成績可適當(dāng)提高。編程開發(fā)環(huán)境操作系統(tǒng)為Win2000 WinXP；Visual C+ 6.0軟件開發(fā)平臺。 課程設(shè)計(jì)所需準(zhǔn)備工作l 熟悉Win32應(yīng)用程序開發(fā)框架與實(shí)

3、現(xiàn)流程；l 掌握三維立體繪圖基本原理和過程；l 熟悉掌握OpenGL開發(fā)包知識與開發(fā)流程；l 學(xué)習(xí)使用OpenGL相關(guān)函數(shù)；四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.1 需求分析首先在OpenGL 3D空間中繪制一個Cube，可以直接調(diào)用畫平面的指令，重復(fù)6次，就可以繪制出一個立方體對象。再對對象實(shí)現(xiàn)模式變換，既可實(shí)現(xiàn)物體的旋轉(zhuǎn)。采用貼圖技術(shù)，可以將一幅畫貼在某個平面上，因而可以得到包含圖片的立方體。1、一個包含貼圖立方體的旋轉(zhuǎn)在繪制單個立方體的基礎(chǔ)上，可以繪制多個立方體(2X2)，將著8個小立方體按照一定的相對位置組合，形成一個2X2的立體魔方。2、2X2 三維魔方旋轉(zhuǎn)1.2 功能模塊分析根據(jù)

4、以上需求分析，可將本程序劃分為以下幾個子功能模塊：l Win32應(yīng)用框架WinMain函數(shù)入口，各個參數(shù)含義。如何構(gòu)建Windows窗體，Windows消息循環(huán)機(jī)制和消息處理。l 魔方體的空間建模定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定一個立方體和魔方的幾何模型：立方體頂點(diǎn)空間坐標(biāo)、每個立方體的相對位置、旋轉(zhuǎn)平面。 l 魔方體旋轉(zhuǎn)在定時(shí)器控制下，實(shí)現(xiàn)魔方體整體旋轉(zhuǎn)、單元立方體旋轉(zhuǎn)，模擬實(shí)際中魔方體各種變換。 l OpenGL繪圖OpenGL繪圖原理和過程，掌握計(jì)算機(jī)3D繪圖、OpenGL基礎(chǔ)知識。1.3 程序分析與實(shí)現(xiàn) 依照上面劃分功能模塊，分析各模塊是如何實(shí)現(xiàn)的。1.3.1 Windows窗口顯示 (1) Win

5、Main主函數(shù) WinMain主函數(shù)是所有Win32程序的入口點(diǎn)。在WinMain函數(shù)里實(shí)現(xiàn)Window是窗體的建立和消息循環(huán)，在消息循環(huán)中實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)輸入事件處理響應(yīng)，具體內(nèi)容可參考VC程序參考手冊。在本課程程序中，不僅要創(chuàng)建Window窗體，而且構(gòu)建OpenGL設(shè)備繪圖環(huán)境。Window窗體創(chuàng)建步驟：l 窗體類注冊：RegisterClassl 設(shè)置顯示分辨率：ChangeDisplaySettingsl 設(shè)置窗體大?。篈djustWindowRectExl 創(chuàng)建窗體：CreateWindowExOpenGL繪圖環(huán)境搭建：l 獲取設(shè)備繪圖環(huán)境(DC，DeviceContext)：hDC=

6、GetDC(hWnd)l 選擇繪圖環(huán)境像素格式：ChoosePixelFormat(hDC,&pfd)，其中pfd為像素格式描述符，如果設(shè)置不對，OpenGL繪圖失敗，看不到正確的顯示結(jié)果。l 設(shè)置繪圖環(huán)境像素格式：SetPixelFormat(hDC,PixelFormat,&pfd)l 獲取OpenGL繪圖環(huán)境：hRC =wglCreateContext(hDC)l 設(shè)置OpenGL繪圖環(huán)境：wglMakeCurrent(hDC,hRC)1.3.2 三維建模首先確定一個立方體A各個頂點(diǎn)空間坐標(biāo)，并對8個頂點(diǎn)編號，四個頂點(diǎn)確定一個平面。目的是便于按照OpenGL規(guī)則繪制面片和

7、貼圖處理。對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下。typedef struct GLfloat p3;stPoint; /一個頂點(diǎn)的定義其它立方體Ci的空間坐標(biāo)可以通過對A復(fù)制并且平移某個單元整數(shù)Nx,y,zstatic stPoint CubePoint8= -1.0f, -1.0f, 1.0f, /0 - 1.0f, -1.0f, 1.0f , /1 1.0f, 1.0f, 1.0f , /2 -1.0f, 1.0f, 1.0f, /3-1.0f, -1.0f, -1.0f,/4 -1.0f, 1.0f, -1.0f,/51.0f, 1.0f, -1.0f,/6 -1.0f, -1.0f, -1.0f,/

8、7 ;一個立方體由8個點(diǎn)組成，8個點(diǎn)組成6個面片，對立方體的幾何操作本質(zhì)上就是對這6個平面的操作(繪制、紋理、旋轉(zhuǎn)和平移等)。點(diǎn)的索引號確定后，每個面片也就確定了，如0,1,2,3四個點(diǎn)構(gòu)成Z向正投影面。3、一個立方體幾何建模一個立方體可由如下結(jié)構(gòu)體定義：typedef struct stPoint CubePoint8; /構(gòu)成一個立方體的8個頂點(diǎn)stCube;stCube Cube8;/8個立方體構(gòu)成一個魔方體8個立方體構(gòu)成2X2魔方矩陣，對每個立方體進(jìn)行編號i。魔方體某層的旋轉(zhuǎn)是基于選中的四個立方體繞魔方體的中心軸變化的。由此定義魔方體每個層面包含的子立方體集合初始索引編號(const

9、目的是在程序運(yùn)行中不可更改)：const BYTE SZM4 = 0,1,2,3; /Z正向的四個子立方體編號const BYTE SZP4 = 4,5,6,7; / Z負(fù)向的四個子立方體編號const BYTE SYM4 = 0,1,5,4; / Y負(fù)向的四個子立方體編號const BYTE SYP4 = 2,3,6,7; / Y正向的四個子立方體編號const BYTE SXM4 = 1,2,6,5; / X正向的四個子立方體編號const BYTE SXP4 = 0,3,7,4; / X負(fù)向的四個子立方體編號為了便于運(yùn)算，同時(shí)定義了一個靜態(tài)魔方立方體，stCube Static_Cube

10、8它相對于運(yùn)動的stCube Cube8其子立方的頂點(diǎn)位置、索引號都是固定不變的，作為運(yùn)動魔方體Cube基準(zhǔn)參考。預(yù)定義好這些層面目的是確定好旋轉(zhuǎn)前后各個子立方體的相對位置。4、魔方體的構(gòu)成為了記錄魔方體旋轉(zhuǎn)之后各子立方的絕對位置，為此專門定義了同上類似的數(shù)組結(jié)構(gòu)(開始時(shí)，與初始值一樣)：BYTE ZP 4 = 0,1,2,3; /z-direction plus BYTE ZM 4 = 4,5,6,7; /z-direction minusBYTE YM4 = 0,1,5,4; /y-direction minusBYTE YP4 = 2,3,7,6; /z-direction plusBY

11、TE XM4 = 1,2,6,5; /x-direction minusBYTE XP4 = 0,3,7,4; /x-direction plus同時(shí)定義了一個靜態(tài)魔方立方體，它們記錄魔方體旋轉(zhuǎn)更新之后，各層面內(nèi)實(shí)際包含小立方體的索引號。如圖4中，繞+Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，各層面對應(yīng)的子立方索引更新為：ZP 4 = 0,1,2,3; /+Z directionZM 4 = 4,5,6,7; /-Z direction YM4 = 2,1,6,7; /+Y direction minusYP4 = 3,0,5,4; /-Y direction plusXM4 = 3,4,7,2; /-

12、Xdirection minusXP4 = 0,5,6,1; /+Xdirection plus5、繞+Z軸旋轉(zhuǎn)90°后各層面子立方體變化綜上所述，魔方體幾何位置旋轉(zhuǎn)本質(zhì)上就是就是同步更新各層面內(nèi)的小立方的索引表。1.3.3 模型旋轉(zhuǎn)立方體在空間的旋轉(zhuǎn)，歸根到底是其頂點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，如空間點(diǎn)(x, y, z)繞Z軸旋轉(zhuǎn)a對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣：cosa sina-sina cosa一個立方體pCube繞Z軸旋轉(zhuǎn)a后對應(yīng)的坐標(biāo)變化為：for( int i=0;i<8;i+) float x,y; x= pCube->CubePointi.p0; y= pCube->CubePoin

13、ti.p1; pCube->CubePointi.p0 = x*cosa - y*sina; pCube->CubePointi.p1 = x*sina + y*cosa;其它軸的旋轉(zhuǎn)類似。由于魔方體層面的旋轉(zhuǎn)是90°，在某個層面內(nèi)一個子立方體Ci會被另外一個Cj完全替換，因此旋轉(zhuǎn)后必須同步更新魔方體Cube各層面內(nèi)包含的子立方的索引號。為了簡化算法，只需查找旋轉(zhuǎn)后Cubei在Static_Cube中對應(yīng)的小立方編號j與i的位置匹配。for( i=0;i<8;i+) /旋轉(zhuǎn)后ZM層面的子立方搜索實(shí)現(xiàn)成員更新 for( j=0;j<4;j+) if( is_eq

14、ual( &Cubei, &Static_Cube SZMj ) ) ZMk+ = i; 上述代碼is_equal是判斷旋轉(zhuǎn)后的魔方體Cube的那些子立方Cubei與靜態(tài)的魔方體Static_Cube的SZM層面內(nèi)的子立方重合，找出之后作為ZM的新成員。最終能找到4個子立方作為新成員。其它層面的如ZP、XP、XM、YP、YM處理與之類似。1.3.4 OpenGL圖形繪制在OpenGL中有畫點(diǎn)、線、面的指令函數(shù)。在本應(yīng)用課程程序中，需要繪制立方體體的每個面片，使用GL_QUADS繪圖指令，同時(shí)設(shè)置紋理坐標(biāo)，完成表面的貼圖。繪制一個立方體的函數(shù)如下。void DrawObject(

15、int ID)stPoint *CubePoint = CubeID.CubePoint;glBegin(GL_QUADS);/ Front FaceglTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint0.p);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint1.p);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint2.p);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint3.p);/ Back Facegl

16、TexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint4.p);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint5.p);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint6.p);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint7.p);/ Top FaceglTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint5.p);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); g

17、lVertex3fv( CubePoint3.p);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint2.p);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint6.p);/ Bottom FaceglTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint4.p);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint7.p);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint1

18、.p);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint0.p);/ Right faceglTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint7.p);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint6.p);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint2.p);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint1.p);/ Left FaceglTexCoo

19、rd2f(0.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint4.p);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3fv( CubePoint0.p);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint3.p);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3fv( CubePoint5.p);glEnd();其中g(shù)lBegin(GL_QUADS)發(fā)布四邊形繪圖指令，glTexCoord2f指定平面紋理坐標(biāo)，glVertex3fv是四邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)。glEnd()結(jié)束當(dāng)前幾何體繪圖。

20、每個函數(shù)使用可查看MSDN手冊。 1.5 OpenGL開發(fā)進(jìn)階OpenGL是為Open Graphics Library的簡稱，它是3D繪圖工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)3D繪圖領(lǐng)域，它是個專業(yè)的開放的3D程序接口，是一個功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層3D圖形庫；它獨(dú)立于視窗操作系統(tǒng)或其它操作系統(tǒng)的，亦是網(wǎng)絡(luò)透明的。在包含CAD、內(nèi)容創(chuàng)作、能源、娛樂、游戲開發(fā)、制造業(yè)、制藥業(yè)及虛擬現(xiàn)實(shí)等行業(yè)領(lǐng)域中，OpenGL幫助程序員實(shí)現(xiàn)在 PC、工作站、超級計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備上的高性能、極具沖擊力的高視覺表現(xiàn)力圖形處理軟件的開發(fā)。OpenGL是一個開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)

21、用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；OpenGL可以與Visual C+緊密接口，Windows下3D程序開發(fā)；OpenGL使用簡便，效率高。它具有七大功能： 1.建模：OpenGL圖形庫除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面繪制函數(shù)。 2.變換：OpenGL圖形庫的變換包括基本變換和投影變換。基本變換有平移、旋轉(zhuǎn)、變比鏡像四種變換，投影變換有平行投影（又稱正射投影）和透視投 影兩種變換。其變換方法有利于減少算法的運(yùn)行時(shí)間，提高三維圖形的顯示速度。 3.顏色模式設(shè)置：OpenGL顏色模式有兩種，即RGBA模式和顏色索引（C

22、olor Index）。 4.光照和材質(zhì)設(shè)置：OpenGL光有輻射光（Emitted Light）、環(huán)境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和鏡面光（Specular Light）。材質(zhì)是用光反射率來表示。場景（Scene）中物體最終反映到人眼的顏色是光的紅綠藍(lán)分量與材質(zhì)紅綠藍(lán)分量的反射率相乘后形成的顏色。 5:紋理映射（Texture Mapping）。利用OpenGL紋理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。 6:位圖顯示和圖象增強(qiáng)圖象功能除了基本的拷貝和像素讀寫外，還提供融合（Blending）、反走樣（Antialiasing）和霧（fog）的特殊

23、圖象效果處理。以上三條可使被仿真物更具真實(shí)感，增強(qiáng)圖形顯示的效果。 7：雙緩存動畫（Double Buffering）雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，簡言之，后臺緩存計(jì)算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。要掌握OpenGL程序開發(fā)不是一個簡單過程，需要由淺入深逐步進(jìn)行?；赩isual C+6.0開發(fā)過程：l 建立基于OpenGL的應(yīng)用程序框架Win32 ；l 創(chuàng)建項(xiàng)目：在file -> New->Projects中建立項(xiàng)目，基于Win32 Application ,輸入工程名；l 添加庫：在project->Setting中添加庫: opengl32.lib g

24、lu32.lib glaux.lib；具體實(shí)現(xiàn)可參考例子Magic2D.dsw。1.6 本單元課程設(shè)計(jì)作業(yè)要求(1)在窗體顯示“學(xué)生姓名、班級、學(xué)號”的消息框，程序標(biāo)題顯示學(xué)生姓名。(2)立方體貼圖顯示本人圖片(256X256 BMP圖片格式，否則不能正常顯示)。(3)讀Magic2D例子代碼，在此基礎(chǔ)上可適當(dāng)改進(jìn)(也可重新編寫新的算法)，優(yōu)化算法流程結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵函數(shù)重新改寫，要求函數(shù)名、數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)過程不得與范例子源碼程序Magic2D相同。(4) 學(xué)生提供的代碼與報(bào)告嚴(yán)禁與示范例子源碼抄襲和本文檔，如果發(fā)現(xiàn)雷同，成績考核為0；(5) 學(xué)生提供的源碼需要有注釋說明：介紹函數(shù)功能、參數(shù)和

25、返回值；2、階段性考核辦法2.1 前期工作(30%)學(xué)習(xí)Visual C+ 6.0開發(fā)環(huán)境，熟悉掌握Win32 Application開發(fā)流程，熟悉OpenGL基本知識，掌握OpenGL開發(fā)包的原理、規(guī)范、重要函數(shù)使用和程序開發(fā)流程。在讀懂例子程序Magic2D基礎(chǔ)上能編寫最簡單OpenGL程序。掌握 glViewport(0,0,width,height);/ Reset The Current ViewportglMatrixMode(GL_PROJECTION);/ Select The Projection MatrixglLoadIdentity();/ Reset The Proj

26、ection Matrix/ Calculate The Aspect Ratio Of The WindowgluPerspective(45.0f,(GLfloat)width/(GLfloat)height,0.1f,100.0f);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);/ Select The Modelview MatrixglLoadIdentity();等函數(shù)的使用、目的等。最后提交階段性工作報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容規(guī)范： 本軟件課程設(shè)計(jì)的目的、意義，背景知識介紹； 總結(jié)VC、OpenGL程序開發(fā)方法、流程，心得體會，解決了什么問題、未確定的問題；提交報(bào)告要求：l 每個人一

27、份紙質(zhì)報(bào)告，每人報(bào)告各不相同，嚴(yán)禁抄襲，如審核發(fā)現(xiàn)，兩人的成績都記為0。l 第五周星期三，過期不予受理，沒有任何理由， 總成績的30%被扣除。l 報(bào)告里面不能粘貼復(fù)制本指導(dǎo)l 書的相關(guān)文字或圖片，也不能從網(wǎng)上拷貝，必須是用自己話語編寫而成的。l 報(bào)告可以寫偽代碼描述算法流程，但不能粘貼源碼濫竽充數(shù)，如發(fā)現(xiàn)將嚴(yán)厲扣分。 2.2中期工作(30%) 編寫調(diào)試一個立方體旋轉(zhuǎn)的程序，要求掌握如下開發(fā)技巧： 1、OpenGL貼圖技術(shù)原理與函數(shù)實(shí)現(xiàn)： 掌握glTexCoord2f、glGenTextures、glBindTexture、glTexImage2D、glTexParameteri等函數(shù)用法； 2、掌握Win32程序消息循環(huán)機(jī)制，消息函數(shù)、鍵盤鼠標(biāo)輸入處理； 了解函數(shù)的PeekMessage、TranslateMessage、DispatchMessage使用和鍵盤虛碼值；WndProc函數(shù)工作； 3、掌握Win32程序中定時(shí)器函數(shù)處理及如何實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動畫； Set