計(jì)算機(jī)圖形學(xué)設(shè)計(jì)

1、123計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目名稱： 機(jī)器人手臂 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 王 玉 昆 2014年 6月 12 日機(jī)器人手臂一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.1 設(shè)計(jì)題目機(jī)器人手臂1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容內(nèi)容：（1）掌握動(dòng)畫(huà)基本原理；（2）實(shí)現(xiàn)三維幾何變換及其組合；功能要求：（1）利用glutWireCube創(chuàng)建機(jī)器手臂：上臂，前臂，帶有手指的手（2）編寫(xiě)三維旋轉(zhuǎn)變換矩陣實(shí)現(xiàn)“上臂帶動(dòng)前臂轉(zhuǎn)，前臂帶動(dòng)手轉(zhuǎn)”的效果；（3）使用鍵盤(pán)的上下左右控制鍵各部分的旋轉(zhuǎn)；1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生具備通過(guò)具體的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖形算法的設(shè)計(jì)、編程與調(diào)試的能力，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、總結(jié)及撰寫(xiě)

2、技術(shù)報(bào)告的能力，達(dá)到：鞏固和實(shí)踐計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的理論和算法；學(xué)習(xí)表現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的技巧；培養(yǎng)認(rèn)真學(xué)習(xí)、積極探索的精神。二、方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)1.圖形學(xué)基本原理（1）幾何變換相關(guān)原理視點(diǎn)變換和模型變換在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中統(tǒng)一稱為幾何變換。視點(diǎn)變換和模型變換只是考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)不同，最后變換的結(jié)果都是一樣的。幾何變換是指三維場(chǎng)景中的物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化，包括物體的平移，旋轉(zhuǎn)和縮放。在OpenGL中提供了3個(gè)命令函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平移，旋轉(zhuǎn)和縮放。它們是glTranslate()，glRotate()，glScale()，從而可以確定一個(gè)物體在場(chǎng)景中的位置，旋轉(zhuǎn)角度和縮放比例。直接使用OpenG

3、L中的矩陣操作函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾何變換，但是使用OpenGL中的變換函數(shù)，變換的速度要快得多。（2）幾何圖形像素化相關(guān)原理是指單元格中顏色值相近的像素結(jié)成塊來(lái)清晰的定義一個(gè)選區(qū)。（3）光照模型相關(guān)原理當(dāng)光線照射到物體表面上時(shí)，將出現(xiàn)3種情況：光從物體表面反射，形成反射光。光穿透物體，形成透射光。光被物體吸收，轉(zhuǎn)化稱為物體的內(nèi)能。在上述3種情形的光線中，通常只有前兩種情況的光線會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生視覺(jué)效果，使人察覺(jué)到物體的色彩變化。OpenGL用一種近似的光照模型模擬現(xiàn)實(shí)世界的光照效果。在該模型中，僅當(dāng)物體表面吸引和反射光線時(shí)，光源才會(huì)起作用。每一個(gè)物體表面都假定是由具有某種特性的材料構(gòu)成的。一種材料可能發(fā)

4、出自己的光線，也可能在各個(gè)方向上發(fā)散一些射入的光線，還有可能象鏡子一樣在某個(gè)方向強(qiáng)烈地反射入射光。2.2.系統(tǒng)界面與操作說(shuō)明(1) 系統(tǒng)界面與圖形顯示示例 (2) 操作說(shuō)明(配合圖示進(jìn)行說(shuō)明)肩膀：'a'順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，'A'逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 手臂：'s'順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，'S'逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手掌：'d'順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，'D'逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)大拇指：'g'向外翻轉(zhuǎn)，'G'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)大拇指指尖：'t'向外翻轉(zhuǎn)，'T'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)食指：'h'向內(nèi)，'H

5、'向外食指指尖：'y'向外翻轉(zhuǎn)，'Y'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)中指：'j'向內(nèi)，'J'向外中指指尖：'u'向外翻轉(zhuǎn)，'U'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)無(wú)名指：'k'向內(nèi)，'K'向外無(wú)名指指尖：'i'向外翻轉(zhuǎn)，'I'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)小指：'l'向內(nèi)，'L'向外小指指尖：'o'向外翻轉(zhuǎn)，'O'向內(nèi)翻轉(zhuǎn)23 過(guò)程流程圖 五步初始化窗口的模式 調(diào)用 glutDisplayFunc 調(diào)用顯示模型 void displa

6、yglutReshapeFunc 可以重新構(gòu)造窗口 void reshapeglutKeyboardFunc 調(diào)用鍵盤(pán)函數(shù) void keyboard glutMainLoop三、詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1、源程序與注釋#include <iostream>#include "gl/glut.h"/添加公用庫(kù)，不然無(wú)窗口也無(wú)法使用鍵盤(pán)/一些函數(shù)要求OpenGL的類型作為參數(shù)，GLfloat，32-bit 浮點(diǎn)GLfloat rotShoulder = 0.0; /肩 -4590GLfloat rotElbow = 0.0; /肘 0160GLfloat rotWrist =

7、 0.0; /腕 -8080/以下取值范圍為 090GLfloat rotFinger10 = 0.0; /拇指 和手掌相聯(lián)的關(guān)節(jié)GLfloat rotFinger11 = 0.0; / 手指上的關(guān)節(jié)GLfloat rotFinger20 = 0.0; /食指GLfloat rotFinger21 = 0.0;GLfloat rotFinger30 = 0.0; /中指GLfloat rotFinger31 = 0.0;GLfloat rotFinger40 = 0.0; /無(wú)名指GLfloat rotFinger41 = 0.0;GLfloat rotFinger50 = 0.0; /小指G

8、Lfloat rotFinger51 = 0.0;void init() static GLfloat light0_position = 1.0, 1.0, 1.0, 0.0; static GLfloat light0_diffuse = 0.0, 1.0, 1.0, 1.0; glClearColor(1.0, 1.0, 0.0, 0.0);/建立窗口被創(chuàng)建成為什么背景色黃色 glShadeModel(GL_SMOOTH);/一個(gè)多邊形可以初始化為一個(gè)顏色(flat shading) 或者多個(gè)不同的顏色(smooth shading),此函數(shù)默認(rèn)指定為GL_SMOOTH glEnable

9、(GL_DEPTH_TEST);/狀態(tài)可以改變，和它相反的是glDisable() glEnable(GL_LIGHTING);/OpenGL必須明確定義光照，不然關(guān)照模型，光源， 材質(zhì)都無(wú)法顯示 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light0_position); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light0_diffuse);/可以定以至少8種光，這 里是白光?？梢远x為聚光燈還是泛光燈 glEnable(GL_LIGHT0);/定義了你要的燈的特征,你要把它們用此函數(shù)轉(zhuǎn)化，你 也需要調(diào)用glEnable（）準(zhǔn)備運(yùn)行燈光函

10、數(shù)的計(jì)算參數(shù) void reshape(GLsizei w, GLsizei h)/32位整形，相當(dāng)于long if(0=h) h=1; glViewport(0, 0, w, h); glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluPerspective(45.0, (GLfloat)w/(GLfloat)h, 0.1, 500.0); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); void display() glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);/清空色深緩 沖和

11、位深緩沖 glLoadIdentity();/當(dāng)視角轉(zhuǎn)換被指定，先要定義當(dāng)前矩陣，如果不定義會(huì)和上 次的矩陣一起 gluLookAt(0.0, 0.0, 60.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);/指定相機(jī)的放置，目標(biāo)指 向哪，什么方式（0,1,0）向上指示 glRotatef(30.0, 0.0, 1.0, 0.0);/關(guān)于y軸偏30° glPushMatrix(); /肩 glTranslatef(6.0, 0.0, 0.0);/把對(duì)象正移6個(gè)單位/把視點(diǎn)負(fù)移6個(gè)單位 glRotatef(rotShoulder, 0.0, 0.0, 1.0);/沿z

12、軸旋轉(zhuǎn)rotShoulder角度 glScalef(12.0, 2.0, 4.0);/這個(gè)函數(shù)用來(lái)指定沿三個(gè)軸縮放多少，x軸12，y軸2， z軸4 glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/12.0, 1.0/2.0, 1.0/4.0); /消除對(duì)之后坐標(biāo)的影響 glPushMatrix(); /肘 glTranslatef(6.0, 0.0, 0.0); glRotatef(rotElbow, 0.0, 0.0, 1.0); glTranslatef(6.0, 0.0, 0.0); /分兩次平移,第一次使得旋轉(zhuǎn)軸在立方體尾部 glScalef(12.0, 2.0, 4

13、.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/12.0, 1.0/2.0, 1.0/4.0); glPushMatrix(); /手掌 glTranslatef(6.0, 0.0, 0.0); glRotatef(rotWrist, 0.0, 0.0, 1.0); glTranslatef(3.0, 0.0, 0.0); glScalef(6.0, 1.0, 4.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/6.0, 1.0, 1.0/4.0); glPushMatrix(); /拇指 與手腕相聯(lián)的關(guān)節(jié) glTranslatef(-1.

14、0, 0.0, -1.0); glRotatef(-rotFinger10, 0.0, 0.0, 1.0); glRotatef(rotFinger10, 1.0, 0.0, 0.0); glTranslatef(-1.0, 0.0, -2.0); glScalef(1.0, 1.0, 2.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0, 1.0, 1.0/2.0); glPushMatrix(); /拇指上的關(guān)節(jié) glTranslatef(0.0, 0.0, -1.0); glRotatef(rotFinger11, 1.0, 0.0, 0.0); glTransl

15、atef(0.0, 0.0, 0.0); glScalef(1.0, 1.0, 2.0); glutSolidCube(1.0); glPopMatrix(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); /食指 與手腕相聯(lián)的關(guān)節(jié) glTranslatef(3.0, 0.0, -1.5); glRotatef(rotFinger20, 0.0, 0.0, 1.0); glTranslatef(1.0, 0.0, 0.0); glScalef(2.0, 1.0, 1.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/2.0, 1.0, 1.0); glP

16、ushMatrix(); /食指上的關(guān)節(jié) glTranslatef(1.0, 0.0, 0.0); glRotatef(rotFinger21, 0.0, 0.0, 1.0); glTranslatef(1.25, 0.0, 0.0); glScalef(2.5, 1.0, 1.0); glutSolidCube(1.0); glPopMatrix();/食指關(guān)節(jié)出棧 glPopMatrix();/食指出棧 /*/ glPushMatrix();/中指 glTranslatef(3.0,0.0,-1.5); glRotatef(rotFinger30, 0.0, 0.0, 1.0); glTr

17、anslatef(1.0,0.0,1.0); glScalef(2.5,1.0,1.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/2.0,1.0,1.0); glPushMatrix(); glTranslatef(1.0,0.0,0.0); glRotatef(rotFinger31,0.0,0.0,1.0); glTranslatef(1.25,0.0,0.0); glScalef(2.5,1.0,1.0); glutSolidCube(1.0); glPopMatrix(); glPopMatrix(); /*/ glPushMatrix();/無(wú)名指 glT

18、ranslatef(3.0,0.0,-1.5); glRotatef(rotFinger40,0.0,0.0,1.0); glTranslatef(1.0,0.0,2.0); glScalef(2.0,1.0,1.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/2.0,1.0,1.0); glPushMatrix(); glTranslatef(1.0,0.0,0.0); glRotatef(rotFinger41,0.0,0.0,1.0); glTranslatef(1.25,0.0,0.0); glScalef(2.5,1.0,1.0); glutSolidCub

19、e(1.0); glPopMatrix(); glPopMatrix(); /*/ glPushMatrix();/小指 glTranslatef(3.0,0.0,-1.5); glRotatef(rotFinger50,0.0,0.0,1.0); glTranslatef(1.0,0.0,3.0); glScalef(1.5,1.0,1.0); glutSolidCube(1.0); glScalef(1.0/1.5,1.0,1.0); glPushMatrix(); glTranslatef(1.0,0.0,0.0); glRotatef(rotFinger51,0.0,0.0,1.0);

20、 glTranslatef(1.25,0.0,0.0); glScalef(2.5,1.0,1.0); glutSolidCube(1.0); glPopMatrix(); glPopMatrix(); /*/ glPopMatrix();/手掌出棧 glPopMatrix();/上臂出棧 glPopMatrix();/整個(gè)手臂出棧 glutSwapBuffers();/交換緩沖區(qū) void keyboard(GLubyte key, GLint x, GLint y) /小寫(xiě)字母減少旋轉(zhuǎn)度數(shù),大寫(xiě)字母增加 switch(key) /肩 case 'a': If(rotShou

21、lder>-45.0) rotShoulder -= 5.0; glutPostRedisplay();/程序改變窗口的內(nèi)容 break; case 'A': if(rotShoulder<90.0) rotShoulder += 5.0; glutPostRedisplay(); break; /肘 case 's': if(rotElbow>0.0) rotElbow -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'S': if(rotElbow<160.0) rotElbow +=

22、 5.0; glutPostRedisplay(); break; /腕 case 'd': if(rotWrist>-80.0) rotWrist -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'D': if(rotWrist<80.0) rotWrist += 5.0; glutPostRedisplay(); break; /拇指 case 'g': if(rotFinger10>0.0) rotFinger10 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; c

23、ase 'G': if(rotFinger10<90.0) rotFinger10 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 't': if(rotFinger11>0.0) rotFinger11 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'T': if(rotFinger11<90.0) rotFinger11 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; /食指 case 'h': if(rotFing

24、er20>0.0) rotFinger20 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'H': if(rotFinger20<90.0) rotFinger20 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'y': if(rotFinger21>0.0) rotFinger21 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'Y': if(rotFinger21<90.0) rotFinger21 += 5.0

25、; glutPostRedisplay(); break; case 'j': if(rotFinger30>0.0) rotFinger30 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'J': if(rotFinger30<90.0) rotFinger30 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'u': if(rotFinger31>0.0) rotFinger31 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; ca

26、se 'U': if(rotFinger31<90.0) rotFinger31 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'k': if(rotFinger40>0.0) rotFinger40 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'K': if(rotFinger40<90.0) rotFinger40 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'i': if(rotFinger41&

27、gt;0.0) rotFinger41 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'I': if(rotFinger41<90.0) rotFinger41 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'l': if(rotFinger50>0.0) rotFinger50 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'L': if(rotFinger50<90.0) rotFinger50 += 5.0; glu

28、tPostRedisplay(); break; case 'o': if(rotFinger51>0.0) rotFinger51 -= 5.0; glutPostRedisplay(); break; case 'O': if(rotFinger51<90.0) rotFinger51 += 5.0; glutPostRedisplay(); break; default: break; int main(int argc, char* argv) /五步初始化窗口的模式調(diào)用 glutInit(&argc, argv);/初始化glut和

29、任何命令線的參數(shù) glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH);/用 雙緩存，rgba顏色模式，深度緩存 glutInitWindowPosition(200, 100);/指定屏幕左上點(diǎn)位置 glutInitWindowSize(400, 300);/用像素指定大小 glutCreateWindow("機(jī)器人手臂");/直到glutMainLoop()被調(diào)用，此窗口開(kāi)始 被調(diào)用了 init(); glutDisplayFunc(display); /glutDisplayFunc(void (*func

30、)(void)是第一個(gè)也是最重要的回調(diào)函數(shù)，不斷 要重復(fù)的函數(shù)就放在這里 glutReshapeFunc(reshape); /回調(diào)函數(shù)，當(dāng)你初始打開(kāi)一個(gè)窗口或者之后移動(dòng)或者重新定義大小，窗口 會(huì)發(fā)送一個(gè)外部事件來(lái)通知你 /重新建立有新畫(huà)布的矩形區(qū) /定義物體將被畫(huà)的坐標(biāo)系統(tǒng) glutKeyboardFunc(keyboard);/調(diào)用鍵盤(pán)的函數(shù) glutMainLoop(); return 0;四、總結(jié)4.1、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)總結(jié)在原理理解、程序設(shè)計(jì)中所遇到的困難是如何解決的，可以舉出1至2個(gè)例子。問(wèn)題分為3類，一類是大方向問(wèn)題，比如一開(kāi)始編程序時(shí)連OpenGL用VC編都不知道，這時(shí)去問(wèn)下老師是比較快的方法。聽(tīng)了老師的建議后，對(duì)自己做的東西拿捏就比較準(zhǔn)，不至于盲目的前進(jìn)。問(wèn)了老師以后，老師只是大方向給了提示，具體還是要自己做，就快速的看一些相關(guān)的書(shū)，這里的快速不是細(xì)細(xì)鉆研，而是快速的學(xué)習(xí)。書(shū)上給的程序和自己項(xiàng)目有關(guān)的就快速的用。差不多如此就可以大概的完成程序，畢竟我們的目的是完成程序，而