基于OpenGL的3D旋轉(zhuǎn)魔方的實現(xiàn)

1、華中科技大學電子科學與技術(shù)系課程設計報告( 2011- 2012年度第 2 學期)名 稱： 軟件課程設計 題 目： 基于OpenGL的3D旋轉(zhuǎn)魔方實現(xiàn)院 系： XXXXXX 班 級： XXXXX 學 號： U201014185 學生姓名： X X X 指導教師： X X X 設計周數(shù)： XXXX 成 績： 日期： 2012 年 5月 24日目 錄1課程設計介紹 11.1.內(nèi)容 1 1 12程序分析 2 2.1. 程序原理 22.1. 程序流程 3. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 8 2.4. 重要函數(shù)用法分析 83結(jié)果演示與程序分析 9. 成果演示 9. 程序分析 114編程中遇到的問題125課程設計小結(jié)13參考

2、文獻14 基于OpenGL的3D旋轉(zhuǎn)魔方實現(xiàn)課程設計介紹目的當今計算機技術(shù)流行，引領(lǐng)了各行各業(yè)。而程序是計算機的靈魂，因此編程能力對當今的學生而言至關(guān)重要。雖然我們在前期已經(jīng)學習了C語言，但是還只對程序有一些簡單的認識，說實話，是很淺顯的認識。通過本軟件課程設計的學習，可以從整體上對軟件工程和項目有全面的認識。通過此次課程設計，可以鍛煉編程能力，激發(fā)對編程的興趣，同時也能培養(yǎng)良好的編程習慣。這對于個人今后的學習，今后的工作乃至今后的生活都會產(chǎn)生重要的影響。對于國家而言，極大的推動了計算機普及教育，提高了大學生的計算機使用水平，具有重大的意義。內(nèi)容通過此次項目掌握軟件開發(fā)模式，模塊化結(jié)構(gòu)分析以及

3、程序設計流程掌握有關(guān)程序設計的思想，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識，掌握C語言算法，掌握OpenGL編程知識如貼圖與鍵盤控制掌握win32編程知識，了解windows程序內(nèi)部運行機制初步培養(yǎng)需求分析、軟件測試、調(diào)試的能力在2X2魔方的基礎上，嘗試編寫3X3的魔方，并實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)取得的成果在理解Magic2D例子程序的基礎上，借助了Win32平臺進行了一系列調(diào)試和學習。在此次項目中，學習了Visual C+6.0軟件開發(fā)環(huán)境，熟練掌握了Win32 Application開發(fā)流程。同時也學習了OpenGL的基本知識，掌握了一些OpenGL的重要技術(shù)與重要函數(shù)的使用，編寫了一些簡單的OpenGL程序。參考Magic2

4、D例子流程，我對原程序進行了比較大的修改，并換上了自己的圖片，實現(xiàn)了一個立方體貼六張不同的圖片，并編寫出了自己的2X2魔方程序。根據(jù)相似度分析，成功的編寫出了3X3旋轉(zhuǎn)魔方，并自己設計了算法，實現(xiàn)了各個層面的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動效果很完美。同時，為了增加程序的娛樂效果，我加入了歌曲最炫民族風，雖然很簡單，不過感覺非常實用且有趣。程序分析2.1 程序原理 （1）OpenGLOpenGL是一個開放的三維圖形 HYPERLINK :/baike.baidu /view/600107.htm t _blank 軟件包，它獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；OpenG

5、L可以與 HYPERLINK :/baike.baidu /view/100377.htm t _blank Visual C+緊密接口，便于實現(xiàn)機械手的有關(guān)計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡便，效率高。本設計是在環(huán)境下，使用OpenGL（Open Graphics Library）函數(shù)庫，繪制魔方并實現(xiàn)魔方的繪制、隨機旋轉(zhuǎn)、貼圖以及鍵盤控制等功能。采用基本圖形的繪圖函數(shù)及定位函數(shù)，添加相應紋理來實現(xiàn)魔方模型的繪制。通過讀取載入BMP文件，應用紋理貼圖技術(shù)來完成對魔方旋轉(zhuǎn)面的處理。 （2）模型的旋轉(zhuǎn)首先對立方體進行建模。一個立方體由8個點組成，8個點組成6個面片，對

6、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)。點的索引號確定后，每個面片也就確定了，如0,1,2,3四個點構(gòu)成Z向正投影面。立方體在空間的旋轉(zhuǎn)，歸根到底是其頂點的旋轉(zhuǎn)，如空間點(x, y, z)繞Z軸旋轉(zhuǎn)a對應的旋轉(zhuǎn)矩陣：cosa sina-sina cosa一個立方體pCube繞Z軸旋轉(zhuǎn)a后對應的坐標變化為：for( int i=0;iCubePointi.p0; y= pCube-CubePointi.p1; pCube-CubePointi.p0 = x*cosa - y*sina; pCube-CubePointi.p1 = x*sina + y*cosa;

7、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中對應的小立方編號j與i的位置匹配。 2.2 程序的流程 通過分析，整個程序大致可以分為6個子功能模塊Win32應用程序框架WinMain主函數(shù)是所有Win32程序的入口點。在WinMain函數(shù)里實現(xiàn)Window是窗體的建立和消息循環(huán)，在消息循環(huán)中實現(xiàn)鍵盤、鼠標輸入事件處理響應，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Open

8、GL設備繪圖環(huán)境。 Window窗體創(chuàng)建步驟：窗體類注冊：RegisterClass設置顯示分辨率：ChangeDisplaySettings設置窗體大小：AdjustWindowRectEx創(chuàng)建窗體：CreateWindowExOpenGL繪圖環(huán)境搭建： 獲取設備繪圖環(huán)境(DC，DeviceContext)：hDC=GetDC(hWnd) 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，如果設置不對，OpenGL繪圖失敗，看不到正確的顯示結(jié)果。 設置繪圖環(huán)境像素格式：SetPixelFormat(hDC,PixelFormat,&pf

9、d) 獲取OpenGL繪圖環(huán)境：hRC =wglCreateContext(hDC) 設置OpenGL繪圖環(huán)境：wglMakeCurrent(hDC,hRC)（2）空間建模得到3階魔方 顯然，要建立3X3的魔方必須首先建立單個魔方的模型，然后通過對單個立方體進行平移從而得到3X3的魔方。 平移單個立方體通過reset_model( )函數(shù)中的語句實現(xiàn) for(i=0;i8;i+)Cube0.CubePointi.p0 = CubePointi.p0-2.0f ;Cube0.CubePointi.p1 = CubePointi.p1-2.0f ;Cube0.CubePointi.p2 = Cub

10、ePointi.p2+2.0f;上述代碼只得到了編號為0的立方體，其他編號的立方體同理可以得到構(gòu)成2X2的魔方需要8個立方體，構(gòu)建3X3的魔方則需要27個立方體。根據(jù)2階魔方的一些方法，類比到3階魔方。則首先對魔方的立方體進行編號，然后通過編號得到魔方各層所包含立方體的編號。其中編號為BYTE ZP9 = 0,1,2,3,4,5,6,7,8; /z軸方向正向一層BYTE ZZ9 = 9,10,11,12,13,14,15,16,17; /z軸方向中間一層BYTE ZM9 = 18,19,20,21,22,23,24,25,26; /z軸方向負向一層BYTE YM9 = 0,1,2,11,10,

11、9,18,19,20; /y軸方向負向一層BYTE YZ9 = 3,4,5,14,13,12,21,22,23; /y軸方向中間一層BYTE YP9 = 6,7,8,17,16,15,24,25,26; /y軸方向正向一層BYTE XM9 = 2,3,8,17,12,11,20,21,26; /x軸方向正向一層BYTE XZ9 = 1,4,7,16,13,10,19,22,25; /x軸方向中間一層BYTE XP9 = 0,5,6,15,14,9,18,23,24; /x軸方向負向一層（3）OpenGL紋理貼圖以下是紋理貼圖的流程，其中實現(xiàn)了一個立方體貼六張圖片 GLuint texture6

12、創(chuàng)建紋理存儲AUX_RGBImageRec* TextureImage6; 創(chuàng)建紋理的存儲空間 TextuteImagei=auxDIBImageLoad(“picture/y1.bmp)調(diào)用此函數(shù)六次載入六張不同的圖片glGenTexTures(1,&texturei)用載入的圖像生成六個紋理glBindTextures(GL_TEXTURE_2D,texturei選擇生成的紋理glBegin(GL_QUADS);glTexCoord(0.0f,0.0f);glVertex3fv(CubePoint0.p);glEnd();每次選擇不同的紋理，然后利用OpenGL是狀態(tài)機的性質(zhì)，可以給每個面

13、貼上不同的圖片（4）同步更新索引在整個程序中，同步更新索引所涉及到的算法可以算是最核心的了。當然，你也可以讓每層每個周期轉(zhuǎn)動360度，這樣就不需要動態(tài)更新索引了，因為每次轉(zhuǎn)動前后，立方體的相對坐標位置并沒有改變。但是這樣得到的旋轉(zhuǎn)效果并不好，因為這并沒有考慮到魔方旋轉(zhuǎn)的所有情況，每次旋轉(zhuǎn)后魔方都沒有被打亂。由于涉及到動態(tài)刷新索引，于是按照常理定義一個靜態(tài)的魔方與動態(tài)的魔方進行比較。類似動態(tài)魔方的編號可以得到靜態(tài)魔方的編號。const BYTE SZP9 = 0,1,2,3,4,5,6,7,8; /z軸方向正向一層const BYTE SZZ9 = 9,10,11,12,13,14,15,16,

14、17; /z軸方向中間一層const BYTE SZM9 = 18,19,20,21,22,23,24,25,26; /z軸方向負向一層const BYTE SYM9 = 0,1,2,11,10,9,18,19,20; /y軸方向負向一層const BYTE SYZ9 = 3,4,5,14,13,12,21,22,23; /y軸方向中間一層const BYTE SYP9 = 6,7,8,17,16,15,24,25,26; /y軸方向正向一層const BYTE SXM9 = 2,3,8,17,12,11,20,21,26; /x軸方向正向一層const BYTE SXZ9 = 1,4,7,1

15、6,13,10,19,22,25; /x軸方向中間一層const BYTE SXP9 = 0,5,6,15,14,9,18,23,24; /x軸方向負向一層然后編寫一個函數(shù)int is_equal(stCube *pc1,stCube *pc2)判斷兩個立方體是否重合，這個函數(shù)的算法就是比較立方體所有頂點的坐標是否相同。最后一步編寫函數(shù)void Update_Cube_index()，由于魔方轉(zhuǎn)動情況總體上有九種情況，則該函數(shù)必須編寫九塊功能類似的代碼，現(xiàn)在只列出X軸負向一層刷新索引的算法。int i,j,k=0;k =0 ;for( i=0;i9;i+) for( j=0;j27;j+) i

16、f( is_equal( &Cubej, &Static_Cube SZMi ) )ZMk+ = j; （5）魔方的旋轉(zhuǎn)以及鍵盤控制對魔方的平移魔方層面的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)在前面介紹，此處除了層面旋轉(zhuǎn)還有魔方的整體旋轉(zhuǎn)。只需調(diào)用庫函數(shù)即可即可。glRotatef(xrot,1.0,0.0,0.0); /使魔方繞x軸轉(zhuǎn)動xrot度glRotatef(yrot,0.0,1.0,0.0); /使魔方繞y軸轉(zhuǎn)動yrot度glRotatef(zrot,0.0,0.0,1.0); /使魔方繞z軸轉(zhuǎn)動zrot度（6）定時器對魔方層面旋轉(zhuǎn)的控制 為了控制魔方的轉(zhuǎn)動，首先定義了函數(shù)void enable_X_roatat

17、e(int direction)，void enable_Y_roatate(int direction)，void enable_Z_roatate(int direction)以確定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向，同時定義了void Rotate_X(int ii)，void Rotate_Y(int ii)，void Rotate_Z(int ii)來指定是哪一層的旋轉(zhuǎn)。然后定義兩個計時器Time1和Time2，其中Timer1的消息由WM_TIMER接收并處理，以實現(xiàn)立方體的旋轉(zhuǎn)。Timer2的消息由TimerProc函數(shù)處理，用于生成控制量以控制旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向。流程如圖：魔方的層面旋轉(zhuǎn)r除6得到

18、控制參數(shù)r=rand()得到隨機數(shù)rTimer2cs除3的余數(shù)得到控制參數(shù)Timer1實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)cs=rand()得到隨機數(shù)cs（7）背景音樂的添加 為了程序有更豐富的效果，我添加了歌曲最炫民族風，方法也很簡單。 #include /提供與多媒體有關(guān)的接口 #pragma comment(lib, WINMM.LIB) /導入winmm.lib庫,實現(xiàn)對多媒體編程的支持 編寫函數(shù)loadsound()，其調(diào)用函數(shù)PlaySound(sound最炫民族風.wav,NULL,SND_LOOP|SND_ASYNC|SND_FILENAME)加載最炫民族風味背景音樂。（8）窗口文字的添加 為了添加自己的

19、信息，我在程序窗口中加了文字void drawString(const char* str)，實現(xiàn)添加英文字符。void drawCNString(const char* str)實現(xiàn)添加中文字符void selectFont(int size, int charset, const char* face)，實現(xiàn)變換字體 2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本程序定義了記錄魔方體每個小塊編號的數(shù)組Cubei及相應的定態(tài)數(shù)組Static_Cube，用來對魔方體變化過程中的相對位置進行索引及重新定位。定義了立方體記錄頂點位置的數(shù)組CubePointi及相應靜態(tài)數(shù)組stPoint CubePointi，用來確定魔方體的

20、旋轉(zhuǎn)，因為旋轉(zhuǎn)歸根結(jié)底是其頂點位置的旋轉(zhuǎn)。定義了用來記錄魔方體各個面上子塊編號的數(shù)組ZP/ZZ/ZM,YP/YZ/YM,XP/XZ/XM,及其對應靜態(tài)數(shù)組。定義了數(shù)組TextureImagei來接收紋理。 2.4 重要函數(shù)用法分析（1）窗口創(chuàng)建GLvoid resizeScene(GLsizei width,GLsizei height )這個函數(shù)的目的是重置OpenGL窗口的大小，具體又包含以下五個函數(shù)glViewport(0,0,width,height);glViewport是OpenGL中視口變化函數(shù)，根據(jù)窗口的實時變化重繪窗口，它負責把視景體截取的圖像按照怎樣的高和寬顯示到屏幕上。g

21、lMatrixMode(GL_PROJECTION)、glMatrixMode(GL_MODELVIEW) 這兩個函數(shù)原型都是glMatrixMode函數(shù)。glMatrixMode這個函數(shù)其實就是要指定操作的是哪種矩陣。如果參數(shù)是GL_PROJECTION，這個是投影的意思，如果參數(shù)是GL_MODELVIEW，這個是對模型視景的操作，用于對三維場景中坐標系的變換操作。glLoadIdentity()glLoadIdentity該函數(shù)的功能是將當前的用戶坐標系的原點移到了屏幕中心，就像一個復位操作gluPerspective(45.0f,(GLfloat)width/(GLfloat)heigh

22、t,0.1f,100.0f)gluPerspective的作用是設置透視投影矩陣，意味著越遠的東西看起來越小。45.0f表示將視角設置為45度，(GLfloat)width/(GLfloat)height沿z軸方向的兩裁面之間的距離的近處為0.1，100f表示沿z軸方向的兩裁面之間的距離的遠處為100 （2）初始化操作 glShadeModel(GL_SMOOTH)，作用是啟用陰影平滑。 glClearColor(, , , )，作用是將背景設置為黑色。 glClearDepth()，作用是設置深度緩存。 glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT,GL_NIC

23、EST)，作用是做精細的透視修正。 loadsound()，作用是導入歌曲最炫民族風。 （3）OpenGL貼圖 glGenTextures(1, &texturei)，作用是利用載入的圖像生成紋理。 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texturei)，作用是選擇生成的紋理。 glTexCoord2f(,)，作用是設置紋理坐標。 glEnable(GL_TEXTURE_2D)，作用是啟用紋理映射，此點很關(guān)鍵。 （4）平移與旋轉(zhuǎn) glTranslatef(x, y, z) 平移函數(shù)。表示相對于當前所在的屏幕位置沿著 X, Y 和 Z 軸移動x，y和z個單位。glRotat

24、ef(angle, x, y, z)旋轉(zhuǎn)函數(shù)。與glTranslatef(x, y, z)類似，glRotatef(angle, x, y, z)也是對坐標系進行操作。旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)過原點，方向為(x,y,z),旋轉(zhuǎn)角度為angle，方向滿足右手定則。（5）添加窗口文字void drawString(const char* str)，實現(xiàn)添加英文字符。void drawCNString(const char* str)實現(xiàn)添加中文字符void selectFont(int size, int charset, const char* face)，實現(xiàn)變換字體結(jié)果演示與程序分析魔方體旋轉(zhuǎn)對魔方定位對魔

25、方進行編號程序分析紋理綁定循環(huán)調(diào)用生成紋理 3X3魔方有27個小塊，對每個小塊分別進行編號。先畫出一個子塊，經(jīng)過向相應方向的平移，獲得完整的魔方體。 魔方由函數(shù)glTranslatef(float x，float y，float z)定位，再由函數(shù)glRotate(float angle,float x,float y,float z)進行旋轉(zhuǎn)，然后由函數(shù)glBindTexture(GLenum target,GLunit textureName)進行紋理與相應面的綁定(紋理已由glGenTextures()函數(shù)來產(chǎn)生)，最后再用函數(shù)glBegin(GL_QUADS)畫出正方面，從而描繪出了魔

26、方的一個小面。循環(huán)調(diào)用就可以繪制出的魔方。循環(huán)調(diào)用程序的紋理綁定和旋轉(zhuǎn)過程就實現(xiàn)了魔方體的旋轉(zhuǎn)變化。4.編程中遇到的問題 在對2X2魔方理解的基礎上，我經(jīng)過自己的摸索終于在末期做出了自己的3階魔方。其中，遇到了很多問題，不過都被我解決了。以下是我認為的比較重要的問題（1）在編寫判斷兩個立方體是否重合的函數(shù)時，開始我沒有消除累計誤差。說實話，當時我對這個程序并不是很了解。沒有加入這個功能，程序運行結(jié)果如下：剛開始時還比較正常，運行一段時間后，魔方錯位了。想了很久，看了指導書才知道原來還差消除累計誤差這個功能。其實，這也很好解釋。因為我們編寫的旋轉(zhuǎn)函數(shù)涉及到計算cosa以及sina的值，而計算機計

27、算這些值是不是很準確的。在一個旋轉(zhuǎn)周期中，要計算180次cosa和sina的值，因此誤差會被放大，則消除累計誤差成了必須。只需判斷兩個數(shù)在一定誤差范圍內(nèi)相等即可。 （2）魔方循環(huán)控制算法的設計中，我遇到了前所未有的問題。單獨編寫控制最外面一層或是中間一層旋轉(zhuǎn)的函數(shù)確實比較簡單，但是如何實現(xiàn)一個實現(xiàn)外層和中間一層同時都可旋轉(zhuǎn)的魔方還是很有難度的，這涉及到如何合理調(diào)度的問題。在多方調(diào)試后，我想到了一個很好的算法，就是再引入一個控制變量cs，可是變量應該選擇在哪里賦值呢？剛開始我毫不猶豫的就選擇在TimerProc函數(shù)里面賦值，可是一下子就出錯了。后來我將Timer2的定時時間設置為1800ms，目

28、的是等于Timer1的180倍，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)一個周期cs重新賦值一次，可結(jié)果表明我再次錯了。因為轉(zhuǎn)動的延遲，所以轉(zhuǎn)動一個周期所需時間是不定的，但肯定不等于1800ms。在重新閱讀一遍程序后，我發(fā)現(xiàn)在void Rotate_ZM()函數(shù)中有轉(zhuǎn)動一個周期后的初始化操作，受到啟發(fā)后，我于是將cs的賦值移到了這個函數(shù)中，運行了觀察很久后都沒有出錯，果然成功了。（3）編程過程中還有一些小問題，不過只要是因為C語言編程的一些知識都忘記了，于是我又重新復習了一下C語言的有關(guān)知識，果然編起來得心應手多了。5.課程設計小結(jié)編程是一件急需細心和耐心的事，剛開始調(diào)試過程中遇到了很多弄不清楚原因的報錯現(xiàn)象，但是經(jīng)過不斷地修改，那些問題也都沒