【OpenGL】室内3D弹球
OpenGL 室内3D弹球（遇到房间六壁反弹）
实现过程
- OpenGL 室内3D弹球（遇到房间六壁反弹）
- 项目目标
- 先放一下结果图给你们看看
- 流程介绍
- 搭建房间
- ==**规划小球运动并生成小球**== 这部分是重点 ，过会儿我会详细解释
- 搭建摄像机
- 刷新
- 关键代码及其解释
- 1.设置材质添加光照
- 2.搭建房间
- 3.规划小球运动并生成小球详细解释以及代码
- 先说一下运动机制
- 小球运动
- 先来说说简单的三个方向中的水平维度运动
- 再来看较为复杂的竖直方向运动
- 4.添加摄像机
- 5.其他重要函数
- 运行结果
- 总结
项目目标
基于OpenGL设计一个房间和2个圆形的弹球，仿真圆球在弹到房间六壁时作出的回弹动画。
包括但不限于：
1）绘制房间的结构，需要尽量的真实和漂亮
2）弹球可以用不同的颜色或者纹理标识，以不同的速度运动
5）逻辑合理
6）弹球可以慢慢的根据摩擦力慢慢的停止（考虑停止的条件）
7）考虑到真实环境下的摩擦力的情况，摩擦力的存在，球的弹力在衰减，速度也在衰减，从来运动越来越慢，以至于停止
8）球可以回弹，左右，前后运动；
先放一下结果图给你们看看
流程介绍
用OpenCV从计算机内部读取一张图片，做为房间材质图如下图：
设置灯光属性以及材质属性
搭建房间
房间设计图如下
如上图所示，房间原点设在坐标系的（0，0，0），整体为一个777的立方体。
在X,Y,Z轴正方向延申。将正方体的前后左右以及顶部设置成之前图片所示的材质。将立方体的底部设置为白灰相间的棋盘
规划小球运动并生成小球 这部分是重点 ，过会儿我会详细解释
小球的运动是一个合运动，分为三个部分：竖直的Y方向运动，以及水平的X、Z方向运动。上图为小球碰撞到边界时的示意图，撞到边界后小球的运动分为三种情况，分别对应不同的解决方案。
撞到上下平面，水平方向的运动情况不变，竖直方向运动方向变反
撞到左右平面，Y轴,Z轴方向运动不变，X轴运动方向变反
撞到前后平面，Y轴,X轴方向运动不变，Z轴运动方向变反
同时，重要的是模拟现实中的物理规律，其中小球需要在Y轴竖直方向受重力影响做自由落体运动，弹起后做自由落体反运动。在水平方向做近似匀速直线运动。为小球添加摩擦力，使得小球最后能停下来。写完运动函数后，生成小球。
搭建摄像机
摄像机路线如下
如图为顶视图，蓝色圈为轨道，蓝色圈外为房间四壁。
需要做一个环绕拍摄轨道，把摄像机固定在轨道上，让摄像机围绕房间的圆心做环形运动，以此把整个房间的内容收入眼底。为此，写出这个圆形轨道的参数方程，坐标以θ为自变量进行变换。
刷新
设置计时器函数，每1/50秒刷新一次屏幕
关键代码及其解释
1.设置材质添加光照
//OpenCV读取图像
Mat I = imread("D://VR.jpg");
int width = I.cols;
int height = I.rows;
GLubyte* otherImage;
static GLubyte checkImage[checkImageHeight][checkImageWidth][4];
void makeCheckImages(void) {int i, j, c;for (i = 0; i < checkImageHeight; i++) {for (j = 0; j < checkImageWidth; j++) {c = ((((i & 0x8) == 0) ^ ((j & 0x8)) == 0)) * 255;checkImage[i][j][0] = (GLubyte)c;checkImage[i][j][1] = (GLubyte)c;checkImage[i][j][2] = (GLubyte)c;checkImage[i][j][3] = (GLubyte)255;}}//加载外部图片int pixelLength = width * height * 3;otherImage = new GLubyte[pixelLength];memcpy(otherImage, I.data, pixelLength * sizeof(char));
}
void init() {//允许深度测试glEnable(GL_DEPTH_TEST);//设置散射和镜像反射为白光glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, WHITE);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, WHITE);//设置前表面的高光镜像反射为白光glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, WHITE);//设置前表面散射光反光系数glMaterialf(GL_FRONT, GL_SHININESS, 30);//允许灯光glEnable(GL_LIGHTING);//打开0#灯glEnable(GL_LIGHT0);
}
在display函数中刷新材质设置makeCheckImages();glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);glGenTextures(2, texName);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName[1]);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_DECAL);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, checkImageWidth,checkImageHeight, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE,otherImage);glEnable(GL_TEXTURE_2D);
2.搭建房间
用四边形函数创建五个四边形，做为房间的顶部和前后左右四壁，并把墙的材质附上去
//顶盘glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName[1]);glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2f(0.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 7, 0.0);glTexCoord2f(0.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 7, 0.0);glTexCoord2f(1.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 7, 7.0);glTexCoord2f(1.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 7, 7.0);glEnd();//前后左右glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2f(0.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 7, 0.0);glTexCoord2f(0.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 7, 0.0);glTexCoord2f(1.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 0, 0);glTexCoord2f(1.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 0, 0);glEnd();glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2f(0.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 7, 7);glTexCoord2f(0.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 7, 7);glTexCoord2f(1.0, 1.0);glVertex3f(7.0, 0, 7);glTexCoord2f(1.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 0, 7);glEnd();glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2f(0.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 0, 0.0);glTexCoord2f(0.0, 1.0);glVertex3f(0, 0, 7);glTexCoord2f(1.0, 1.0);glVertex3f(0, 7, 7);glTexCoord2f(1.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 7, 0);glEnd();glBegin(GL_QUADS);glTexCoord2f(0.0, 0.0);glVertex3f(7, 0, 0.0);glTexCoord2f(0.0, 1.0);glVertex3f(7, 0, 7);glTexCoord2f(1.0, 1.0);glVertex3f(7, 7, 7);glTexCoord2f(1.0, 0.0);glVertex3f(7, 7, 0);glEnd();做一个灰白相间的地板//棋盘GLfloat lightPosition[] = { 4, 3, 7, 1 };//设置光源位置glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPosition);//开始绘制四边形glBegin(GL_QUADS);//法向量方向glNormal3d(0, 1, 0);for (int x = 0; x < 7; x++) {for (int z = 0; z < 7; z++) {//设置每个格子的材质属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE,(x + z) % 2 == 0 ? GRAY : WHITE);//四边形的4个点坐标glVertex3d(x, 0, z);glVertex3d(x + 1, 0, z);glVertex3d(x + 1, 0, z + 1);glVertex3d(x, 0, z + 1);}}glEnd();
3.规划小球运动并生成小球详细解释以及代码
先说一下运动机制
依赖OpenGL的 glTranslated函数来控制小球的生成位置
程序运行时每1/50秒刷新一次位置函数，在当前的xyz处生成小球
用运动函数来控制xyz的值，从而实现位置变化，根据变化的位置生成小球从而达到小球运动的效果
总而言之，每秒更新50次位置，在这50个位置上生成50个小球从而达到动画效果
小球运动
小球的运动是一个合运动，分为三个部分：竖直的Y方向运动，以及水平的X、Z方向运动。上图为小球碰撞到边界时的示意图，撞到边界后小球的运动分为三种情况，分别对应不同的解决方案。
撞到上下平面，水平方向的运动情况不变，竖直方向运动方向变反
撞到左右平面，Y轴,Z轴方向运动不变，X轴运动方向变反
撞到前后平面，Y轴,X轴方向运动不变，Z轴运动方向变反
同时，重要的是模拟现实中的物理规律，其中小球需要在Y轴竖直方向受重力影响做自由落体运动，弹起后做自由落体反运动。在水平方向做近似匀速直线运动。为小球添加摩擦力，使得小球最后能停下来。写完运动函数后，生成小球。
每秒更新50次位置，每0.02s更新一下速度
先来说说简单的三个方向中的水平维度运动
在现实世界中，我们在空中水平方向运动时只收到摩擦力的影响，在速度不快的情况下近似做匀速运动，此时的摩擦力很小可以忽略不计。那么放到程序里就是s=v*t，s就是x，z的坐标，v是当前速度，t是运动时间
t += 0.002;x += directionx * vx * t;z += directionz * vz * t;vx *= 0.99879;vz *= 0.99879;
那么问题来了，我们做的是弹球，房间是有边界的，弹球撞到房间六壁应该回弹，而不是只有一个方向的运动。所以我们还要做边界检测，房间六壁，每一面都要有检测。
如何做边界检测呢？
小球在三个坐标轴上的运动距离应该被加以限制：为了不穿模，应该限制在7(房间的边长就是7)-2r(2倍半径)内，在小球的边界碰到墙壁边界时，立刻做出回应。
碰到边界后，把运动方向分解一下就知道，其中一个方向变为原来的反方向，另外两个方向不变
撞到上下平面，水平方向的运动情况不变，竖直方向运动方向变反
撞到左右平面，Y轴,Z轴方向运动不变，X轴运动方向变反
撞到前后平面，Y轴,X轴方向运动不变，Z轴运动方向变反
把这些结论写成代码就是
//小球在X轴方向的运动if (x > (xmax - radius)) {x = (xmax - radius);directionx = -1;vx *= 0.99;t = 0.02;}else if (x < radius) {x = radius;directionx = 1;t = 0.02;vx *= 0.99;}//小球在Z轴方向的运动if (z > (zmax - radius)) {z = (zmax - radius);directionz = -1;vz *= 0.99;t = 0.02;}else if (z < radius) {z = radius;directionz = 1;vz *= 0.99;t = 0.02;}
direction就是方向，三个分量都有自己的方向变量。为了模拟摩擦力，小球每0.02秒，速度损失0.121%
每撞到一次边界，速度损失1%。每次撞到墙后，时间清零，把撞墙位置当作新的起始位置，方便运动学函数的计算。
再来看较为复杂的竖直方向运动
竖直方向的运动就需要模拟重力加速度了，这部分其实不需要重力，因为我没有做能量守恒，而且重力加速度跟重力没有关系。给定一个全局变量g=9.8
写出竖直方向的运动公式，根据我们高中的运动学公式s=Vt+0.5att
v是当前速度，t是累计时间，a就是g
设定下落为正速度，弹起为反速度
下面是代码，else里面加了新的选择分支，那个分枝是什么呢？
假如竖直方向速度太小了，那剩余的能量不足以支持下一次回弹，所以此时的小球牢牢地待在了地面上，同时在水平维度开始受滚动摩擦力的约束，速度进一步减小，直至为0
if (vy > 0)//vy大于0，下落{y = y - (vy * t + directiony * (0.5 * g * t * t));}else//否则回弹{if (statusy == 1)//此时弹球已经触底，由于速度太小，无法再竖直方向运动了{y = radius;//弹球不在弹起//弹球开始受滚动摩擦力vx *= 0.99;vz *= 0.99;if (abs(vx) < 1.7){vx = 0;}if (abs(vz) < 1.7){vz = 0;}}elsey += abs(vy) * t + (0.5 * g * t * t);}
在竖直方向上也要进行边界检测
同时，如果触底时速度太低，status置1，表示小球不再弹起
if (y > maximumHeight) //假如初速太快，撞到房顶了{y = maximumHeight - 0.01;t = 0.002;vy = -1 * vy * 0.95;t = 0;}if (y <= radius) //触底{y = radius;t = 0.002;vy = -1 * vy * 0.95;if (abs(vy) < 0.75)//如果速度太小，在竖直方向停止运动{statusy = 1;}}
4.添加摄像机
键盘上的上下左右键被监听，用于调整摄像机，左右键使得摄像机在一个圆轨道上运动
class Camera {public:double theta; //确定x和z的位置double y; //y位置double dTheta; //角度增量double dy; //上下y增量
public://类构造函数—默认初始化用法Camera() : theta(0), y(2), dTheta(0.02), dy(0.2) {}//类方法double getX() { return (3.5 + 3.5 * cos(theta)); }double getY() { return y; }double getZ() { return (3.5 + 3.5 * sin(theta)); }void moveRight() { theta += dTheta; }void moveLeft() { theta -= dTheta; }void moveUp() { y += dy; }void moveDown() { if (y > dy) y -= dy; }
};
5.其他重要函数
//键盘处理函数
void onKey(int key, int, int) {//按键：上下左右switch (key) {case GLUT_KEY_LEFT: camera.moveLeft(); break;case GLUT_KEY_RIGHT: camera.moveRight(); break;case GLUT_KEY_UP: camera.moveUp(); break;case GLUT_KEY_DOWN: camera.moveDown(); break;}glutPostRedisplay();
}//自定义计时器函数
void timer(int v) {//当计时器唤醒时所调用的函数glutPostRedisplay();//设置下一次计时器的参数glutTimerFunc(1000 / 50, timer/*函数名*/, v);
}//窗口调整大小时调用的函数
void reshape(GLint w, GLint h) {glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluPerspective(80.0, GLfloat(w) / GLfloat(h), 1, 15);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}
运行结果
总结
代码太多了放不全，我这个是opencv+OpenGL，材质部分用到了opencv读图
这个最重要的就是小球的运动部分，我把这部分代码完整放出来
//每帧移动0.05单位
class Ball {//类的属性double radius;GLfloat* color;double maximumHeight;double x;double y;double z;int directionx; //方向int directiony;int directionz;double mass;double GravitionalEnergy;double unitx = 0.05;double unity = 0.05;double unitz = 0.05;double vx = 10;double vy = 40;double vz = 15;int statusy = 0;double t = 0;
public://构造函数Ball(double r, GLfloat* c, double x, double y, double z) :radius(r), color(c), maximumHeight(ymax), directionx(1),directiony(1), directionz(1), y(y), x(x), z(z), mass((4 / 3)* PI* r* r* r), GravitionalEnergy(mass* g* y) {}//更新和绘制方法void update() {//弹球运动//设置初速度，速度为矢量，分解到三个方向t += 0.002;x += directionx * vx * t;z += directionz * vz * t;vx *= 0.99879;vy = vy + g * t;vz *= 0.99879;//以下为小球在竖直方向的运动公式if (vy > 0)//vy大于0，下落{y = y - (vy * t + directiony * (0.5 * g * t * t));}else//否则回弹{if (statusy == 1)//此时弹球已经触底，由于速度太小，无法再竖直方向运动了{y = radius;//弹球不在弹起//弹球开始受滚动摩擦力vx *= 0.99;vz *= 0.99;if (abs(vx) < 1.7){vx = 0;}if (abs(vz) < 1.7){vz = 0;}}elsey += abs(vy) * t + (0.5 * g * t * t);}if (y > maximumHeight) //假如初速太快，撞到房顶了{y = maximumHeight - 0.01;t = 0.002;vy = -1 * vy * 0.95;t = 0;}if (y <= radius) //触底{y = radius;t = 0.002;vy = -1 * vy * 0.95;if (abs(vy) < 0.75)//如果速度太小，在竖直方向停止运动{statusy = 1;}}//小球在X轴方向的运动if (x > (xmax - radius)) {x = (xmax - radius);directionx = -1;vx *= 0.99;t = 0.02;}else if (x < radius) {x = radius;directionx = 1;t = 0.02;vx *= 0.99;}//小球在Z轴方向的运动if (z > (zmax - radius)) {z = (zmax - radius);directionz = -1;vz *= 0.99;t = 0.02;}else if (z < radius) {z = radius;directionz = 1;vz *= 0.99;t = 0.02;}glPushMatrix();//单独设置每个球的材质参数glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, color);glTranslated(x, y, z);//创建球glutSolidSphere(radius, 30, 30);glPopMatrix();}
};
完整版代码加我QQ812515674随叫随到
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