计算机图形学与可视化计算OPENGL 个人作业一

关键词：OpenGL绘制线、点、球，世界的旋转

背景信息

这是2022年春季学期，北京理工大学，计算机学院，软件工程，开设的一门选修课程，为期八周，共32课时，难度很高，自学与听讲的收获参半。

课程的成绩结算方式为考查，分为三次个人作业与一次团队作业，难度层层递进，每次作业都是以上一次为基础。

本篇内容为作业一，整体难度较为容易，耗时1~2天。

注意：编译环境与函数库详见(www.wo deng hui zai xie.net)

2022计算机图形学与可视化计算

1程序使用说明

1.1 向量的运算

1.1.1 功能介绍

将所需要计算的文档放于run目录下，以test.txt命名。
test.txt中文件必须满足以下格式：

a) 奇数行的内容必须为

向量相加
向量点乘
向量叉乘
向量标准化
向量求模
向量投影

六种向量计算之一。

b) 偶数行的数据必须对应上一行的内容

向量之间以 ’\t’（单引号之间的内容为键盘上的Tab键）间隔，向量内分量以半角逗号分隔，分量可正可负，小数点后的位数不限，但是必须是float可以容纳的大小。程序会将test.txt中的内容按要求计算，按照原来的格式，输出内容到out.txt中，但偶数行内容有所变动，具体变动：将所给的向量按照原来的间隔方式输出，并在行末增加计算结果：一个向量或者浮点数，向量分量、浮点数均只保留两位小数。

1.1.2 执行截图

如下图放置文件

test.txt内容

out.txt内容

1.2 图像的绘制

1.2.1 功能介绍

在上文out.txt文件生成后，该程序会完全自动执行图形的绘制，具体绘制内容如下：

A. 绘制坐标轴X，Y，Z。使用红绿蓝三色的线段表示3个坐标轴。
B. 使用线框模式绘制一个白色球，线粗1。
C. 球内绘制1000个彩色圆点，原点随机改变位置，即视觉效果为躁动状态。
D. 球内的点越靠近球顶部则越红，越靠近球底部则越蓝。
E. 绘制彩色曲线圆圈套住球。
F. 整个世界自动旋转，按空格键可切换旋转和暂停。

1.2.2 执行截图

2 程序设计说明

2.1 向量的运算

2.1.1 头文件Cvector167.h

向量类结构图

向量类程序说明：
建立CVector167类，其中包括float x,y,z，首先是重载操作符，实现[]便捷访问向量的分量，如向量v就可以通过v[]来访问v.x，并且此处的v[]可以作为左值使用。接着是加法、减法、赋值、数乘、判断相等、判断不相等的重载，其中要注意数乘操作需要满足向量在前，标量在后，如（向量v * 标量k）。为了方便生成向量，还编写了构造器CVector(x,y,z)。方法实现了如向量取模、向量点乘、向量标准化、向量赋值、向量投影、向量叉乘。

2.1.2 文件读取与向量计算、结果输出

向量计算总体框架

如图所示实现了若干方法完成out.txt文件的创建，test.txt文件的读取，向量计算方法的判断，字符串转化成为向量类，将结果添加在out.txt文件末尾。

Read函数流程图

Read()函数说明
第一步，打开文件输入流fin，文件输出流fout，并直接关闭fout，实现了空白文本文件out.txt的创建，假若out.txt已经存在，这一步也会清空文件内容
第二步，读取test.txt文件的一行内容，如果此行为空则结束读取循环，关闭文件fin。如果非空，那么根据规则一行向量的运算方式和一行向量数据，必然存在第二行，继续读取下一行，将这两行存入String[2]中，传递给compute函数进行计算以及输出。
由于给出的测试文件向量数量不确定，借此读取一个，计算一个，输出一个即可实现所需的要求。

Compute函数程序流程图

函数的计算是程序的核心。
将传递过来的String[]的String[0] “向量XX”进行识别。
如“向量相加”会给出两个向量的信息，这时将String[1]调用getVector两次，第一次order = 0，第二次order = 1，分别获取String[1]中的第一个向量和第二个向量。
但是诸如“向量标准化”只需要获取一个向量，此时我们传递String[1]和order = 0，即可。
获取向量后进行相应的运算，并将运算方法，运算结果输出到out.txt文件中，并且都保留两位小数，分量间以半角逗号间隔，向量间以tab间隔，行末为回车符。

getVector函数程序流程图

获取向量函数是该程序的基础。
先判断order == 1与否，如果等于1则遍历String[1]得到第一个空格的位置，将空格下一个字符作为向量的起点开始遍历。
进入一个for循环，先给v[0]赋值，判断第一个字符是否为“-”，如果是我们做一个标记nagetive = -1，否则nagetive就保持初值1；为了叙述的普遍性，我们此处以“-12.63，xxx，xxx”为例：
首先第一个字符为符号，记录nagetive = -1；下一步字符为‘1’，我们将v[0]=10（初值是0），再v[0]+=‘1’-‘0’，此时第一个分量等于1；接下来下一个数字是2，1 → 110 = 10 → 10+2 = 12；如此循环直到读取到第一个非数字，即空格、回车、逗号、小数点，如果是前三者直接进行下一个分量的读取或者读取完毕，如果是小数点则给point赋值1，读取下一个字符，下一个字符为‘6’，我们进行这样的运算 12+=6/point,实现小数位的控制，计算完毕后point*=10控制下一位小数，直到此分量结束，此时将分量乘以nagetive实现正负的控制。给出的题目只有一位小数，但是为了普遍性，上述程序实现了多位的读取功能。

2.2 第二部分——图像的绘制

2.2.1 旋转的实现，空格控制旋转

如图所示，参考了例程，借鉴其旋转方法，键盘输入获取方法，具体实现：

首先创建三个全局变量

float seta = 0;
float seta_add = 0.1;
int space_count = 0;
分别用来控制旋转、每两次变换的差值，记录空格按下的次数。

先来说空格实现控制暂停与旋转，main函数调用glutKeyboardFunc(&myKeyboardFunc)；进而调用函数
void myKeyboardFunc(unsigned char key, int x, int y)；在此函数中实现空格的计数，当空格计数次为奇数时，将seta_add赋值0，即停止了旋转；当空格计数次为偶数时，seta_add赋值0.1，恢复正常旋转。

接下来是旋转的实现，main函数调用
glutTimerFunc(3, myTimerFunc, 0);进而调用函数
void myTimerFunc(int val)；在此函数中实现seta值的增加，每次调用此函数增加值为seta_add，并调用
myDisplay(); 和他自己本身glutTimerFunc(3, myTimerFunc, 0);
调用myDisplay()函数时候执行函数glRotatef(seta, 0, 1, 0);实现旋转。

2.2.2 1000个彩色光滑圆点的绘制

首先我们先随机产生三个处于-70，70之间的浮点数，并判断是否处于半径为70，圆心在圆点的球内，如果在球内，调用相应的函数生成该点，最终生成共计1000个点。
在生成点的同时，根据点的z值不同，赋予不同的颜色，如果z大于零，接近70的点将越红，如果z小于零，越接近-70的点将越蓝。
生成点之后，在主函数中会调用SetRc()函数，该函数会调用使点光滑的函数。

2.2.3 彩色坐标轴与白色线球的绘制

画坐标轴线首先指定线宽glLineWidth(2)，然后开始绘制直线glBegin(GL_LINES)，继续指定该轴的颜色glColor3f，以及起点glVertex3f，终点glVertex3f，最后结束绘制glEnd()。
绘制线圈球更加简单，指定颜色glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f)，线宽glLineWidth(1)后直接调用绘制线球函数glutWireSphere(70, 15, 15)，其中数据的含义是线球的半径、经纬线条数。

2.2.4 彩色圆圈的绘制

首先指定线宽glLineWidth(3)，接下来开始绘制直线线圈glBegin(GL_LINE_LOOP)，并且指定半径为GLfloat R = 80.0f。
开始循环直线线圈节点，指定节点数为int n = 100。
写一个循环for (int i = 0; i < n; ++i)，每一次循环中使用三角函数给定节点的坐标，并赋予不同但是逐渐变化的色彩。
float y = R * cos(2.0 * Pi / n * i);
float z = R * sin(2.0 * Pi / n * i);
glColor3f((i % 30) / 30.0 + 0.1, (i % 70) / 70.0 + 0.1, (i % 10) / 10.0 + 0.1);
glVertex3f(0, y, z);
最后结束直线线圈的绘制glEnd()。

CVector67.h

#pragma onceclass CVector167
{public:float x,y,z;float forth = -31415926;//第四维，赋一个几乎不用的初始值void Print();CVector167();CVector167(float x, float y, float z);void Set(float x, float y, float z);CVector167 operator +(const CVector167& v);CVector167 operator -(const CVector167& v);CVector167 operator =(const CVector167& v);bool operator ==(const CVector167& v);bool operator !=(const CVector167& v);CVector167 operator *(float k);float dotMul(CVector167& v);CVector167 crossMul(CVector167& v);float len();CVector167 Normalize();CVector167 project(CVector167& v);operator float* () { return &x; }
};

CVector67.cpp

#include "CVector167.h"
#include <math.h>
#include <iostream>using namespace std;
void CVector167::Print() {if (forth == -31415926)cout << "x = " << this->x << ", y = " << this->y << ", z = " << this->z << "\n";else cout << "x = " << this->x << ", y = " << this->y << ", z = " << this->z << ", forth = " << this->forth << "\n";
}
CVector167::CVector167()
{this->x = 0;this->y = 0;this->z = 0;
};
CVector167::CVector167(float x, float y, float z)
{//构造器初始化this->Set(x, y, z);
}
void CVector167::Set(float x, float y, float z)
{//设初值this->x = x;this->y = y;this->z = z;
}CVector167 CVector167::operator +(const CVector167& v)
{//加法重载CVector167 ve;ve.x = this->x + v.x;ve.y = this->y + v.y;ve.z = this->z + v.z;return ve;
}//无误2022 04 25CVector167 CVector167::operator -(const CVector167& v)
{//减法CVector167 ve;ve.x = this->x - v.x;ve.y = this->y - v.y;ve.z = this->z - v.z;return ve;
}CVector167 CVector167::operator =(const CVector167& v)
{//赋值this->x = v.x;this->y = v.y;this->z = v.z;return CVector167(v.x, v.y, v.z);
}
/*
注意！！！！！！！
此处const必须加入，否则可能会出现 向量a,b,
a = b * 2;  按照标量计算习惯应该是 a = (b * 2);
const的缺失会导致报错
*/
bool CVector167::operator ==(const CVector167& v)
{//判别相等if (this->x == v.x && this->y == v.y && this->z == v.z)return true;else return false;
}//无误，但是返回值打印的时候会变成 0 1,程序运行的时候确实是布尔值bool CVector167::operator !=(const CVector167& v)
{//判别不等if (this->x != v.x || this->y != v.y || this->z != v.z)return true;else return false;
}CVector167 CVector167::operator *(float k)
{//数乘 v * k return CVector167(this->x * k, this->y * k, this->z * k);
}//无误，但是这个只能实现标量在后的情况//以下函数没有const是因为老师给的参数列表的确如此
float CVector167::dotMul(CVector167& v)
{//点乘   返回floatreturn (this->x * v.x + this->y * v.y + this->z * v.z);
}//无误CVector167 CVector167::crossMul(CVector167& v)
{//向量叉乘return CVector167(this->y * v.z - this->z * v.y,this->z * v.x - this->x * v.z,this->x * v.y - this->y * v.x);
}//没问题float CVector167::len()
{return (float)sqrt(((double)this->x * this->x) +((double)this->y * this->y) +((double)this->z * this->z));
}//此处的double是为了避免出现警告CVector167 CVector167::Normalize()
{return CVector167(this->x / this->len(),this->y / this->len(),this->z / this->len());
}//无误CVector167 CVector167::project(CVector167& v)
{//投影float project_length = this->dotMul(v) / v.len();return CVector167(v.x * (project_length / v.len()),v.y * (project_length / v.len()),v.z * (project_length / v.len()));
}//没问题

Work_01.cpp

#include "stdafx.h"
#include "glut.h"
#include "math.h"
#include "CVector167.h"#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fstream>//文件输入输出
#include <string>//字符串类
#include <iomanip>//保留两位小数using namespace std;CVector167 getVector(string s, int order);//声明
const GLfloat Pi = 3.1415926536;
float seta = 0.0;
float seta_add = 0.1;
int space_count = 0;
void myDisplay(void);void Compute(string law_data[]) {ofstream fout;fout.open("out.txt", ios::app);//在文件末尾增加内容if (law_data[0] == "向量相加"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量相加\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);CVector167 v2 = getVector(law_data[1], 1);CVector167 v0 = v1 + v2;fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << "   "/*Tab*/;fout << v2[0] << "," << v2[1] << "," << v2[2] << "   "/*Tab*/;fout << v0[0] << "," << v0[1] << "," << v0[2] << "\n";}else if (law_data[0] == "向量投影"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量投影\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);CVector167 v2 = getVector(law_data[1], 1);CVector167 v0 = v1.project(v2);fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << " "/*Tab*/;fout << v2[0] << "," << v2[1] << "," << v2[2] << "   "/*Tab*/;fout << v0[0] << "," << v0[1] << "," << v0[2] << "\n";}else if (law_data[0] == "向量叉乘"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量叉乘\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);CVector167 v2 = getVector(law_data[1], 1);CVector167 v0 = v1.crossMul(v2);fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << "    "/*Tab*/;fout << v2[0] << "," << v2[1] << "," << v2[2] << "   "/*Tab*/;fout << v0[0] << "," << v0[1] << "," << v0[2] << "\n";}else if (law_data[0] == "向量点乘"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量点乘\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);CVector167 v2 = getVector(law_data[1], 1);float dot = v1.dotMul(v2);fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << "  "/*Tab*/;fout << v2[0] << "," << v2[1] << "," << v2[2] << "   "/*Tab*/;fout << dot << "\n";}else if (law_data[0] == "向量求模"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量求模\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);float len = v1.len();fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << "    "/*Tab*/;fout << len << "\n";}else if (law_data[0] == "向量标准化"){fout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(2) << "向量标准化\n";CVector167 v1 = getVector(law_data[1], 0);CVector167 v0 = v1.Normalize();fout << v1[0] << "," << v1[1] << "," << v1[2] << "    "/*Tab*/;fout << v0[0] << "," << v0[1] << "," << v0[2] << "\n";}else {cout << "不存在操作“" << law_data[0] << "”\n";}fout.close();
}void Read()
{ifstream fin;fin.open("test.txt");//在run目录里面ofstream fout;fout.open("out.txt");//在run目录里面fout.close();//生成文件or删除文件内容if (!fin.is_open()){cout << "无法找到此文件！\n请将test.txt文件置于run目录中。\n";return;}string buff[2];int i = 0;while (getline(fin, buff[0])){getline(fin, buff[1]);Compute(buff);}fin.close();
}CVector167 getVector(string s, int order)
{//文本转化为向量CVector167 v(0, 0, 0);int begin = 0;if (order == 1){//获取的是第二个向量的起点int i;for (i = 0; i < s.length(); i++)if (s[i] == ' ' || s[i] == '  '/*Tab*/)break;begin = i + 1;}int j = 0;//x,y,zint point = 0;int nagetive = 1;//等于1为正，等于-1为负for (int k = begin; k < s.length(); k++){if (s[k] == '-')nagetive = -1;if ('0' <= s[k] && s[k] <= '9' && point == 0)v[j] *= 10, v[j] += s[k] - '0';//获取小数点前的数if (point == 0 && s[k] == '.')point = 10;if ('0' <= s[k] && s[k] <= '9' && point != 0) {v[j] += ((float)s[k] - '0') / point;//获取小数点后的数point *= 10;}if (s[k] == ','){v[j] *= nagetive;point = 0;j++;continue;//下一个分量}if (s[k] == ' ' || s[k] == '    '/*Tab*/)break;//完毕}return v;
}void myKeyboardFunc(unsigned char key, int x, int y) {if (key == ' ') space_count++;if (space_count % 2 == 0)seta_add = 0.1;else seta_add = 0;
}void myTimerFunc(int val)
{seta += seta_add;myDisplay();glutTimerFunc(3, myTimerFunc, 0);
}void SetRC()//变光滑
{//glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);glEnable(GL_POINT_SMOOTH);//光滑//glEnable(GL_BLEND);//glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
}void myDisplay(void)
{glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glPushMatrix();glTranslatef(0, 0, -200);//glRotatef(90, 0, 1, 0);glRotatef(seta, 0, 1, 0);//旋转for (int count = 0; count < 1000; ){double x = -70 + 140.0 * rand() / double(RAND_MAX),y = -70 + 140.0 * rand() / double(RAND_MAX),z = -70 + 140.0 * rand() / double(RAND_MAX);if (x * x + y * y + z * z > 70.0 * 70)continue;else count++;double red, blue;if (z > 0) {red = z / 70+0.25;blue = 0;}else {red = 0;blue = -z / 70+0.25;}glPointSize(3.5);glBegin(GL_POINTS);glColor3f(0.05 + red, 0.30, 0.05 + blue);//glVertex3f(x, y, z);glEnd();}glLineWidth(2);//写在绘制的前面，也可以指定球线宽glBegin(GL_LINES);glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);//x轴glVertex3f(0, 0, 0);glVertex3f(100, 0, 0);glColor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);//y轴glVertex3f(0, 0, 0);glVertex3f(0, 100, 0);glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);;//z轴glVertex3f(0, 0, 0);glVertex3f(0, 0, 100);glEnd();glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);glLineWidth(1);//线宽为1glutWireSphere(70, 15, 15);glLineWidth(3);glBegin(GL_LINE_LOOP);GLfloat R = 75.0f;int n = 100;//圆的直线段数for (int i = 0; i < n; ++i){float y = R * cos(2.0 * Pi / n * i);float z = R * sin(2.0 * Pi / n * i);glColor3f((i % 30) / 30.0 + 0.1, (i % 70) / 70.0 + 0.1, (i % 10) / 10.0 + 0.1);glVertex3f(0, y, z);}glEnd();glPopMatrix();glFlush();
}void myReshape(int w, int h)
{GLfloat nRange = 100.0f;glViewport(0, 0, w, h);glMatrixMode(GL_PROJECTION);glLoadIdentity();gluPerspective(60, GLfloat(w) / h, 1, 1000);glMatrixMode(GL_MODELVIEW);glLoadIdentity();
}int main(int argc, char* argv[])
{Read();glutInit(&argc, argv);glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);glutInitWindowPosition(100, 100);glutInitWindowSize(600, 600);glutCreateWindow("Work_1 刘成坤 1120200167");glutDisplayFunc(&myDisplay);glutTimerFunc(3, myTimerFunc, 0);//旋转glutReshapeFunc(&myReshape);glutKeyboardFunc(&myKeyboardFunc);//获取键盘数据SetRC();glutMainLoop();return 0;
}

附件(百度云)

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