計(jì)算機(jī)圖形學(xué)期末考查報(bào)告2015-2016第一學(xué)期

1、x計(jì)算機(jī)圖形學(xué)期末考查報(bào)告學(xué)年學(xué)期：xxxx專業(yè)班級(jí)：xxxx 學(xué)生姓名：xxxx 學(xué) 號(hào)：xxxx 成 績(jī)： 任課老師：xxxx 提交日期：xxxx 內(nèi)容與要求一、目的本學(xué)期通過(guò)課堂授課、上機(jī)練習(xí)、作業(yè)等諸多教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論體系及其在圖形處理系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用；掌握二維及三維圖形的幾何變換、投影變換、裁剪、消隱的基本理論和方法；理解基本圖元、曲線、曲面的生成算法；理解圖形的明暗處理、紋理映射、陰影生成、真實(shí)感圖形的生成與處理的原理。掌握OpenGL編程基礎(chǔ)知識(shí)及三維圖形系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)用技術(shù)。期末考查將以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)OpenGL編程為主要考查內(nèi)容。 二、內(nèi)容及要求（一）、總結(jié)

2、OpenGL編程基礎(chǔ)知識(shí)OpenGL不是一種編程語(yǔ)言，而是一種API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)。 OpenGL的核心庫(kù)中包含了OpenGL多個(gè)函數(shù)，這些函數(shù)都以“g1”為前綴最基本的命令函數(shù)。 OpenGL的實(shí)用函數(shù)庫(kù)是比OpenGL核心庫(kù)更高一層的函數(shù)庫(kù)，也可以看作是對(duì)基本核心庫(kù)的擴(kuò)充。它提供了四十多個(gè)函數(shù)，這些函數(shù)都以字母“glu”為前綴。GLUT代表OpenGL應(yīng)用工具包(GLUT: OpenGL Utility Toolkit )，是一個(gè)和窗口系統(tǒng)無(wú)關(guān)的工具包。OpenGL包含200多個(gè)函數(shù)。按照功能對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行分類是大有

3、幫助的:(1)圖元函數(shù)。這些函數(shù)定義了可在屏幕上生成圖像的元素。有兩種類型的圖元:幾何圖元(例如多邊形)，它們可采用2個(gè)、3個(gè)或者4個(gè)維度來(lái)定義;以及圖像圖元，比如位圖。（2）屬性函數(shù)。這些函數(shù)控制圖元的外觀。這些函數(shù)定義了顏色、線條類型、材料性質(zhì)(material property、光源以及材質(zhì)。（3）觀視函數(shù)。這些函數(shù)決定了照相機(jī)的屬性。OpenGL提供了一個(gè)虛擬照相機(jī)，可相對(duì)于圖元函數(shù)定義的對(duì)象來(lái)定位它和調(diào)整它的方向。還可對(duì)照相機(jī)的鏡頭進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生廣角與遠(yuǎn)距拍攝效果。（4）視窗函數(shù)。這些函數(shù)不是OpenGL核心的一部分。但是，由于它們對(duì)于交互式應(yīng)用程序的重要性，所以使用單獨(dú)的庫(kù)(比

4、如GLUT)來(lái)容納它們。我們可利用這些函數(shù)來(lái)控制屏幕上的窗口顯示，并可通過(guò)它們來(lái)使用鼠標(biāo)及鍵盤。（5）控制函數(shù)。這些函數(shù)允許我們啟用各種OpenGL特性。還可利用它們來(lái)了解一個(gè)特定實(shí)現(xiàn)具有的能力。 按照使用功能，GLUT中的函數(shù)可以分為以下幾類:1.初始化和創(chuàng)建窗口(1)函數(shù)如下:void glutInit(ant argc，char*argv);功能:該函數(shù)用于初始化GLUT庫(kù)。(2)函數(shù)如下: Void glutInitDisplayMode(unsigned int mode);功能:該函數(shù)為即將創(chuàng)建的窗口指定一種顯示模式，如RGBA或顏色索引，單緩存或雙緩存。另外，還可以指定該窗口相關(guān)

5、的深度、模板或累積緩存。(3)函數(shù)如下:Void glutInitWindowSize(int width，int height);功能:該函數(shù)為即將創(chuàng)建的窗口指定一個(gè)初始的大小。(4)函數(shù)如下:Void glutInitWindowPosition(int x，int y);功能:該函數(shù)為即將創(chuàng)建的窗口指定一個(gè)初始的位置。(5)函數(shù)如下:Void glutCreateWindow(char*name);功能:該命令用于創(chuàng)建一個(gè)允許使用的OpenGL窗口，并將其視為當(dāng)前窗口。 2.處理窗口和愉入(1)函數(shù)如下:void glutDisplayFunc(void(*func)(void);功能:

6、該函數(shù)用于繪制當(dāng)前窗口。(2)函數(shù)如下:Void glutReshapeFunc(void(*func)(int width,int height);功能:該函數(shù)指定了當(dāng)窗口的尺寸被縮放或移動(dòng)時(shí)所調(diào)用的函數(shù)。(3)函數(shù)如下:Void glutKeyboardFunc(void(*func)(unsigned int key,int x，int y);功能:該函數(shù)指定了當(dāng)按下一個(gè)生成ASCII字符的鍵時(shí)，調(diào)用的函數(shù)。(4)函數(shù)如下:Void glutMouseFunc(void(*fonc)(int button,int state,int x,int y);功能:該函數(shù)指定了當(dāng)按下或釋放一個(gè)鼠

7、標(biāo)鍵時(shí)，調(diào)用的函數(shù)。(5)函數(shù)如下:Void glutSpecialFunc(void(*func)(unsigned int key,int x,int y);功能:該函數(shù)指定了當(dāng)按下一個(gè)非ASCII字符的鍵(如Shift鍵)時(shí)，調(diào)用的函數(shù)。(6)函數(shù)如下:Void glutMotionFunc(void(*func)(int x,int y);功能:該函數(shù)指定了當(dāng)按下鼠標(biāo)在窗口內(nèi)移動(dòng)時(shí)，調(diào)用的函數(shù)。3. 繪制三維物體(1) 函數(shù)如下:Void glutWireCone(GLdouble base,GLdouble height,GLint slices,GLint stacks);Void

8、 glutSolidCone(GLdou6le base，GLdouble height,GLint slices，GLint stacks);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡膱A錐體。圓錐的底面位于原點(diǎn)(0,0,0)，圓錐的頂點(diǎn)位于Z軸之上。(2)函數(shù)如下:Void glutWireCube(GLdouble size);Void glutSolidCube(GLdouble size);功能:繪制一個(gè)邊長(zhǎng)為size的線框的或?qū)嵭牧⒎襟w，立方體的中心位于原點(diǎn)。(3) 函數(shù)如下:Void glut WireDodecahedron(Void);Void glutSolidDodecahedron(V

9、oid);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡恼骟w。(4) 函數(shù)如下:Void glut WireIcosahedron(Void);Void glutSolidIcosahedron(Void);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡恼骟w。(5)函數(shù)如下:Void glut WireOctahedran(Void);Void glutSolidOctahedron(Void);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡恼嗣骟w。(6)函數(shù)如下:Void glut WireSphere(GLdouble radius,GLint slices,GLint stacks);Void glutSolidSphere(

10、GLdouble radius,GLint slices,GLint stacks);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡那蝮w。(7) 函數(shù)如下:Void glut WireTetrahedron(void);Void glutSolidTetrahedron(void);功能:繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡恼拿骟w。(8)函數(shù)如下：Void glutWireTorus(GLdouble innerRadius,GLdouble outerRadius,GLint slices,GLint stacks);Void glutSolidTorus(GLdnuble innerRadius,GLdouble ou

11、terRadius,GLint slices,GLint stacks);功能：繪制一個(gè)線框的或?qū)嵭牡膱A環(huán)體。(9)函數(shù)如下：Void glut WireTeapot(GLdouble Size);Void glutSolidTeapot(GLdouble Size);功能:繪制一個(gè)以半徑為size的線框的或?qū)嵭牟鑹亍?.管理后臺(tái)處理當(dāng)沒(méi)有其他的待處理的事件時(shí)，用戶可以用函數(shù)glutIdleFun。指定執(zhí)行另一個(gè)函數(shù)。函數(shù)如下:void glutIdIeFunc(void(*func)(void);功能:該函數(shù)的參數(shù)中指定了一個(gè)函數(shù)名func，當(dāng)其他的事情處于掛起時(shí)，就可以執(zhí)行函數(shù)func。5

12、.運(yùn)行程序在完成了所有的設(shè)置之后，最后要做的事情就是開始執(zhí)行所有的命令了，這時(shí)調(diào)用運(yùn)行程序的函數(shù)。函數(shù)如下:void glutMainLoop(void);功能:這個(gè)函數(shù)開始啟動(dòng)主GLUT處理循環(huán)。OpenGL是圖形硬件的軟件接口，其中包括了大約250個(gè)不同的函數(shù)。作為一種應(yīng)用程序編程接口(API ), OpenGL的庫(kù)函數(shù)遵循C語(yǔ)言的調(diào)用規(guī)定。在以后的示例中，程序都是以C語(yǔ)言編寫的。一個(gè)實(shí)用的OpenGL程序從規(guī)模上說(shuō)比較龐大，但基本結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的。一般包括以下幾個(gè)部分:(1)定義繪制對(duì)象。通常對(duì)象繪制于指定的窗口之上。首先必須定義窗口在屏幕上的位置及窗口的大小等屬性，然后在窗口上建立坐標(biāo)

13、系，定義圖形在窗口中的生成位置。(2)初始化。即初始化OpenGL中的狀態(tài)變量，為下一步圖形顯示做準(zhǔn)備工作。包括定義投影類型、定義光照模型及紋理映射等。(3)渲染屏幕圖像。按照顯示的方位角度等要求繪制并顯示圖形，將物體的數(shù)學(xué)描述及狀態(tài)變量如顏色紋理等變換為屏幕像素。OpenGL函數(shù)命名與數(shù)據(jù)類型 OpenGL函數(shù)都遵循一個(gè)命名的約定，函數(shù)的頭幾個(gè)字母會(huì)說(shuō)明該函數(shù)來(lái)自哪個(gè)庫(kù)，后面部分包含一個(gè)根命令，代表該函數(shù)相應(yīng)的OpenGL命令，后綴中的數(shù)字和字母表示該函數(shù)需要的參數(shù)類型與個(gè)數(shù)。比如對(duì)于glColor3f命令，g1前綴代表該函數(shù)來(lái)自g1庫(kù)，其根命令為Color，代表對(duì)顏色的設(shè)定，后綴3f表示該

14、函數(shù)需要3個(gè)浮點(diǎn)型的參數(shù)。同樣地，OpenGL中對(duì)常量的定義，都是以大寫字母GL開頭，并且所有的字母都大寫，在單詞之間以下劃線進(jìn)行分隔，例如GL_ COLOR BUFFER BIT等。有一些OpenGL函數(shù)的后綴中帶有一個(gè)字母V，這表示該命令帶有一個(gè)指向矢量或數(shù)組值的指針作為參數(shù)。許多函數(shù)都有矢量和非矢量?jī)煞N參數(shù)形式。OpenGL中還提供了一些更具描述性的名稱。如GLenum用于枚舉變量，GLbitfield用于包含二進(jìn)制位字段的變量，GLboolean變量用于表示真或假的條件。OpenGL數(shù)據(jù)類型也可同樣用于對(duì)數(shù)組和指針的定義。比如10個(gè)GLint的變量數(shù)組只需定義為：GLint ints1

15、0;對(duì)于指向GLfloat變量的指針可以定義為:GLfloat*floats;庫(kù)和頭文件 所有的OpenGL核心庫(kù)的函數(shù)、類型和宏的原型都包括在頭文件gl.h中，實(shí)用函數(shù)庫(kù)glu函數(shù)的原型則位于另一個(gè)頭文件glu.h中，這些文件通常要放在編程環(huán)境include路徑中某個(gè)特殊目錄下。窗口坐標(biāo)設(shè)置 在所有的窗口操作中，當(dāng)執(zhí)行初始化打開窗口、移動(dòng)窗口或改變窗口的大小尺寸操作時(shí)，都會(huì)調(diào)用到GLUT中的一個(gè)子程序:函數(shù)如下:Void glutReshapeFunc(void(*func)(int width,int height);它所包含的兩個(gè)變量width和height，指定了窗口新的寬度和高度。只

16、要窗口的大小發(fā)生改變，glutReshapeFunc()就可以收到新的寬度與高度。我們就可以利用這些信息，定義OpenGL函數(shù)在窗口上坐標(biāo)系及作圖區(qū)域。對(duì)于二維的坐標(biāo)系，最常用的方法是調(diào)用函數(shù)glutReshapeFunc(myreshape)，其中reshape()是用戶自己定義的函數(shù)。（2） 、闡述三維表面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（以立方體為例） 假設(shè)要表示的形體T可以放在一個(gè)充分大的實(shí)體C內(nèi),C的邊長(zhǎng)為2n，形體TC，它的八叉樹可以用以下遞歸的方法來(lái)定義：八叉樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)與C的一個(gè)子立方體對(duì)應(yīng)，樹根與C本身相對(duì)應(yīng)，如果T=C，那么T的八叉樹僅有樹根，如果T不等于 C，則C等分為八個(gè)子立方體，每個(gè)子立方體

17、與樹根的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。只要某個(gè)子立方體不是完全空白或完全為T所占據(jù)，就要被八等分，從而對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)也就有了八個(gè)子節(jié)點(diǎn)。這樣遞歸判斷、分割一直要進(jìn)行到節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的立方體或是完全空白，或者是完全為T占據(jù)，或是其大小已是預(yù)先定義的體素大小，并且對(duì)它與T之交作一定的“舍入”，使體素或認(rèn)為是空白的，或認(rèn)為是T占據(jù)的。如此所生成的八叉樹上的節(jié)點(diǎn)可以分為三類：一是灰節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的立方體部分地為T所占據(jù)；二是白節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的立方體中無(wú)T的內(nèi)容；三是黑節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的立方體全為T所占據(jù)。后兩類又稱為葉節(jié)點(diǎn)。 與四叉樹結(jié)構(gòu)相類似的八叉樹結(jié)構(gòu)可以沿用四叉樹的有關(guān)方法。根據(jù)存儲(chǔ)方式的不同，八叉樹可以分為常規(guī)的、線形的、一對(duì)

18、八的八叉樹等等。 1）規(guī)則的八叉樹 八叉樹的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是用一個(gè)有九個(gè)字段的記錄來(lái)表示樹中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)字段用來(lái)秒蘇該結(jié)點(diǎn)的特性，其余的八段用來(lái)作為存放指向其八個(gè)子結(jié)點(diǎn)的指針。但是規(guī)則八叉樹的缺陷較多，最大的問(wèn)題就是指針占用了很大的空間。因此雖然其易于理解掌握，但存儲(chǔ)代價(jià)太大。 2）線形八叉樹 線形八叉樹注重考慮的是如何提高空間利用率，用某一預(yù)先確定的次序遍歷八叉樹，將八叉樹轉(zhuǎn)換成一貫線形表，表的每個(gè)元素與一個(gè)結(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。線形八叉樹不僅節(jié)省存儲(chǔ)空間，對(duì)某些運(yùn)算也比較方便，但是不夠靈活。 3）一對(duì)八式的八叉樹 在一對(duì)八式的八叉樹中，一個(gè)非葉結(jié)點(diǎn)有八個(gè)子結(jié)點(diǎn)，如果一個(gè)記錄與一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，那么在這

19、個(gè)記錄中描述的是這個(gè)結(jié)點(diǎn)的八個(gè)子結(jié)點(diǎn)的特征值，而指針給出的則是該八個(gè)子結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)記錄的存放處，而且還隱含地假設(shè)了這些子結(jié)點(diǎn)記錄存放的次序。也就是說(shuō)，即使某個(gè)記錄是不必要的，那么相應(yīng)的存儲(chǔ)位置也必須空閑在那里，以保證不會(huì)錯(cuò)誤地存取到其它同層結(jié)點(diǎn)的記錄。很顯然，當(dāng)它不是完全八叉樹的時(shí)候，存儲(chǔ)空間會(huì)有一定的浪費(fèi)。為了克服這種缺陷，一是增加計(jì)算量，即在存取相應(yīng)結(jié)點(diǎn)記錄之前，首先檢查它的父結(jié)點(diǎn)記錄，看一下之前有幾個(gè)葉結(jié)點(diǎn)，從而可以知道應(yīng)該如何存取所需結(jié)點(diǎn)記錄。這種方法可以減小存儲(chǔ)需求，但會(huì)增加計(jì)算量；另一個(gè)是在記錄中增加一定的信息，使計(jì)算工作適當(dāng)減少或者更方便。例如在原記錄中增加三個(gè)字節(jié)，一分為八，每個(gè)

20、字節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)三位，代表它的子結(jié)點(diǎn)在指針指向區(qū)域中的偏移。（三）、總結(jié)OpenGL顏色、紋理、光源設(shè)置方法以及鼠標(biāo)和鍵盤響應(yīng)函數(shù)的用法顏色：從視覺的角度看，顏色由其色彩(hue )、飽和度(saturation)和亮度( lightness)決定。顏色模型：RGB顏色模型、CMY顏色模型、HSV顏色模型。在執(zhí)行程序之初，必須先設(shè)置顏色的顯示方式。OpenGL中提供了兩種顏色模式:RGBA模式和顏色索引模式。顏色的顯示方式一旦確定下來(lái)，就不能再進(jìn)行更改。對(duì)于創(chuàng)建RGBA模式或顏色索引模式的窗口，使用命令:glutInitDisplayMode(GLU_ RGB);或:glutInitDisplayM

21、ode(GLUT_INDEX);在RGBA模式下，可使用glColor*()函數(shù)指定當(dāng)前顏色。Void glColor3b s i f d ub us ui(TYPE R,TYPE G,TYPE B);Void glColor4b s i f d ub us ui(TYPE R,TYPE G,TYPE B,TYPE A);Void glColor3b s i f d ub us ui(const TYPE*v);Void glColor4b s i f d ub us ui(const TYPE*v);功能: 用RGBA模式指定當(dāng)前顏色。在顏色索引模式中，可使用如下函數(shù)來(lái)設(shè)置當(dāng)前的顏色索引:V

22、oid glIndexs i f d(TYPE C);Void glIndexs i f d(TYPE C);著色模式：OpenGL中的函數(shù)glShadeModel()用于指定不同的著色模式。Void glShadeModel(Glrnum mode);紋理：我們可使用函數(shù)g1TexImage1D()和函數(shù)g1TexImage3D()，建立一維、二維、三維紋理映射。幾何對(duì)象上的點(diǎn)與紋理單元之間的映射是通過(guò)函數(shù)g1TexCoord*()完成的：可通過(guò)設(shè)置矩陣模式和使用處理模型一觀視矩陣與投影矩陣的相同技術(shù)來(lái)更改紋理矩陣：glMatrixMode(GL_ TEXTURE);盡管函數(shù)glTexCoo

23、rd*()和glTexImage*()是紋理映射中的必備例程，但還必須設(shè)置一些額外的所需參數(shù)。這里還有其他可選參數(shù)，它們?yōu)槿绾螌⒓y理應(yīng)用到對(duì)象表面提供了更多的控制?？梢酝ㄟ^(guò)g1TexParameter*)設(shè)置這些參數(shù)。二維紋理的典型用法可能類似于以下形式:對(duì)表面應(yīng)用紋理：通過(guò)函數(shù)glTexEnv*()設(shè)置。置換(replace)模式是最重要模式，在該模式中，只通過(guò)紋理顏色確定從幀緩存中可看到的顏色。我們可通過(guò)函數(shù)glTexEnv*()設(shè)置這些模式。默認(rèn)的調(diào)諧模式與執(zhí)行以下函數(shù)等價(jià):glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV,GL_TEXTURE_ENV_MODE,GL_MODULATE);OpenGL要求紋理大小(小于任何邊界)是2的冪。我們可以使用GLU函數(shù)gluScaleImage()將圖像映射成紋理映射可接受的大小，還可以通過(guò)函數(shù)glCopyTexImage2D()從幀緩存圖像獲取紋理映射。我們使用GLU函數(shù)gluQquadricTexture()來(lái)啟動(dòng)紋理坐標(biāo)的自動(dòng)生成：紋理對(duì)象：光源設(shè)置方法：定義光源：定義材質(zhì)：控制陰影計(jì)算：若確實(shí)需要