计算机图形学实验及课程设计

计算机图形学实验及课程设计孔令德2012年春于太原实验任务书实验目的：巩固学生对计算机图形学的直线扫描转换原理、有效边表填充原理、三维透视投影原理、ZBuffer深度缓冲消隐原理和真实感图形生成原理的理解，增加学生对真实感图形生成算法的感性认识，强化训练学生使用VisualC++的MFC编写相关图形类的技能。此前，课堂上已经完成《计算机图形学实践教程（VisualC++版）》的43个验证性实验的讲解，在此基础上，要求学生能综合使用全部教学内容完成综合性实验。实验要求：要求学生在实验前了解综合性实验的目的和要求，观察实验效果图。在实验中认真理解每个类的结构，通过搭积木的方式完成实验任务。实验结束后按要求整理相关类的源程序，撰写实验报告，尤其需要对难点和重点进行详细说明。一、实验目的与要求实验任务书学时:教学总学时48，其中实验学时8。二、实验项目与提要实验任务书三、成绩考核方法本实验与计算机图形学课程同步开设，成绩占期末总成绩的20%~40%。四、本课程与其他课程的联系和分工先修课程：高等数学、线性代数、MFC程序设计、数据结构。实验1绘制金刚石图案1.1实验目的掌握二维坐标系模式映射方法。掌握动态内存的分配和释放方法。掌握二维点类的定义方法。掌握对话框的创建及调用方法。掌握对话框的数据交换和数据校验方法。掌握Test工程实验框架的创建方法。掌握金刚石图案的设计方法。实验1绘制金刚石图案1.2实验要求定义二维坐标系原点位于屏幕中心，x轴水平向右为正，y轴铅直向上为正。以二维坐标系原点为圆心绘制半径为r的圆，将圆的n等分点使用直线彼此连接形成金刚石图案。程序运行界面提供“文件”、“绘图”和“帮助”三个弹出菜单项。“文件”菜单提供“退出”子菜单项，用于退出应用程序；“绘图”菜单提供“金刚石”子菜单项，用于绘制金刚石图案；“帮助”菜单提供“关于”子菜单项，用于说明开发信息。选择“金刚石”子菜单项，打开“输入参数”对话框，输入“等分点个数”和“圆的半径”。在屏幕客户区中心绘制金刚石图案。实验1绘制金刚石图案1.3效果图将半径为300的圆，划分30个等分点后，得到的金刚石图案实验效果如图1-1所示。图1-1金刚石图案效果图实验2绘制任意斜率的直线段2.1实验目的掌握任意斜率直线段的中点Bresenham扫描转换算法。掌握CLine直线类的设计方法。掌握状态栏编程方法。实验2绘制任意斜率的直线段2.2实验要求设计CLine直线类，其数据成员为直线段的起点坐标P0和终点坐标P1，成员函数为MoveTo()和LineTo()函数。CLine类的LineTo()函数使用中点Bresenham算法绘制任意斜率k的直线段，包括k＝±∞、k＞1、0≤k≤1、-1≤k＜0和k＜-1五种情况。在屏幕客户区按下鼠标左键选择直线的起点，保持鼠标左键按下并移动鼠标到另一位置，弹起鼠标左键绘制任意斜率的直线段。在状态栏动态显示鼠标光标移动时的位置坐标。实验2绘制任意斜率的直线段2.3效果图任意斜率的直线段绘制效果如图2-1所示。图2-1任意效率直线段绘制效果图实验3交互式绘制多边形3.1实验目的掌握双缓冲绘图技术。掌握人机交互技术。掌握填充动态多边形的有效边表算法。实验3交互式绘制多边形3.2实验要求使用鼠标在屏幕客户区绘制任意点数的多边形。要求使用橡皮筋技术动态绘制每条边；鼠标移动过程中按下Shift键时可绘制垂直边或水平边；将多边形的终点移动到多边形的起点时自动封闭多边形；在绘制多边形的过程中，状态栏动态显示鼠标光标的位置坐标。当开始绘制多边形时，更改鼠标光标为十字光标，多边形绘制完毕后恢复为箭头光标。多边形闭合后自动调用有效边表算法填充多边形内部区域。实验3交互式绘制多边形3.3效果图交互式绘制多边形效果如图3-1所示。图3-1交互式绘制的多边形效果图实验4二维几何变换4.1实验目的掌握二维平移、比例、旋转几何变换矩阵。掌握矩阵乘法的编程实现。掌握相对于任一参考点的比例变换和旋转变换。掌握定时器的使用方法。掌握边界碰撞检测方法。掌握静态切分视图框架的设计方法。实验4二维几何变换4.2实验要求使用静态切分视图，将窗口分为左右窗格。左窗格为继承于CFormView类的表单视图类CLeftPortion，右窗格为一般视图类CTestView。左窗格提供代表“图形顶点数”（4、8、16和32）、“平移变换”（x方向和y方向）、“旋转变换”（逆时针和顺时针）和“比例变换”（放大和缩小）的滑动条，用于控制右窗格内的图形变化。右窗格内以屏幕客户区中心为图形的几何中心，绘制图形顶点数从4变化为8、16和32的正多边形。为了表达图形的旋转，多边形的每个顶点和图形中心使用直线连接。实验4二维几何变换4.2实验要求使用双缓冲技术控制图形在右窗格内的无闪烁运动。设定屏幕背景色为黑色，图形颜色为白色。使用客户区边界检测技术，改变图形在右窗格内和客户区边界碰撞后的运动方向。实验4二维几何变换4.3效果图二维几何变换效果如图4-1所示。图4-1二维几何变换效果图实验5直线段裁剪5.1实验目的掌握直线段端点编码方法。掌握Cohen-Sutherland直线段裁剪算法。实验5直线段裁剪5.2实验要求定义二维坐标系原点位于屏幕中心，x轴水平向右为正，y轴铅直向上为正。在客户区中央固定绘制颜色为RGB(128,0,0)的3像素宽的矩形代表裁剪窗口。裁剪窗口的左上角点为（-300,100）,右下角点为（300,-100）。使用鼠标在屏幕上动态绘制任意直线段。选择裁剪按钮根据直线段和窗口的相对位置，对直线段进行裁剪，得到位于窗口内的直线段，删除窗口外的直线段。直线段绘制之前，裁剪按钮无效；直线段绘制之后，裁剪按钮有效。实验5直线段裁剪5.3效果图直线段裁剪前效果如图5-1所示，直线段裁剪后效果如图5-2所示。图5-1直线段裁剪前效果图图5-2直线段裁剪后效果图实验6立方体线框模型正交投影6.1实验目的掌握使用点表和面表构造立方体线框模型的方法。掌握立方体线框模型二维正交投影图的绘制方法。掌握立方体线框模型二维正交投影图的旋转方法。实验6立方体线框模型正交投影6.2实验要求在屏幕中心建立三维坐标系Oxyz，x轴水平向右，y轴铅直向上，z轴垂直于屏幕指向观察者。以三维坐标系Oxyz的原点为立方体体心绘制边长为a的立方体线框模型。使用旋转变换矩阵计算立方体线框模型围绕三维坐标系原点变换前后的顶点坐标。使用双缓冲技术在屏幕上绘制三维立方体线框模型的二维正交投影图。使用键盘方向键旋转立方体线框模型。使用工具条上的“动画”按钮播放立方体线框模型的旋转动画。实验6立方体线框模型正交投影6.3效果图立方体线框模型正交投影效果如图6-1所示。图6-1立方体线框模型正交投影效果图实验7立方体线框模型透视投影7.1实验目的掌握使用点表和面表构造立方体线框模型的方法。掌握视点球坐标的计算方法。掌握立方体线框模型的二维透视投影图的绘制方法。掌握立方体线框模型的二维透视投影图的旋转方法。实验7立方体线框模型透视投影7.2实验要求在屏幕中心建立三维坐标系Oxyz，x轴水平向右，y轴铅直向上，z轴垂直于屏幕指向观察者。以三维坐标系Oxyz的原点为立方体体心绘制边长为a的立方体线框模型。使用双缓冲技术在屏幕上绘制三维立方体的二维透视投影图。使用键盘方向键旋转立方体线框模型。使用工具条上的“动画”图标播放立方体线框模型的旋转动画。按下鼠标左键缩小立方体，按下鼠标右键增大立方体。实验7立方体线框模型透视投影7.3效果图立方体线框模型透视投影效果如图7-1所示。图7-1立方体线框模型透视投影效果图实验8动态三视图8.1实验目的掌握主视图变换矩阵。掌握俯视图变换矩阵。掌握侧视图变换矩阵。掌握斜等测图绘制方法。实验8动态三视图8.2实验要求在屏幕中心建立三维坐标系Oxyz，x轴水平向右，y轴铅直向上，z轴垂直于屏幕指向观察者。将屏幕静态切分为4个窗格。左上窗格绘制主视图、左下窗格绘制俯视图、右上窗格绘制侧视图，右下窗格绘制斜等测消隐线框模型。使用正交投影绘制主视图、俯视图和侧视图，使用斜等测投影绘制多面体线框模型。使用键盘方向键旋转右下窗格多面体斜等测线框模型，其余三个窗格内的视图随之动态改变。使用工具条上的动画按钮播放所绘制物体的斜等测线框模型及三视图的旋转动画。实验8动态三视图8.3效果图多面体动态三视图的效果如图8-1所示。图8-1多面体动态三视图的效果图实验9动态绘制Bezier曲线9.1实验目的掌握直线的参数表示法。掌握德卡斯特里奥算法的几何意义。掌握绘制二维Bezier曲线的方法。实验9动态绘制Bezier曲线9.2实验要求使用鼠标左键绘制个数为10以内的任意控制点，使用直线连接构成控制多边形。单击鼠标右键绘制Bezier曲线。在状态栏显示鼠标的位置坐标。Bezier曲线使用德卡斯特里奥（deCasteliau）算法绘制。实验9动态绘制Bezier曲线9.3效果图动态绘制Bezier曲线效果如图9-1所示。图9-1动态绘制Bezier曲线效果图实验10交互式三次B样条曲线10.1实验目的掌握三次B样条曲线的基函数。掌握分段三次B样条曲线的绘制方法。掌握三次B样条曲线的特殊构造技巧。掌握图形顶点可视化移动技巧。实验10交互式三次B样条曲线10.2实验要求给定9个控制点：P0(104,330)，P1=(204,231)，P2=(286,362)，P3=(363,145)，P4=(472,527)，P5=(548,228)，P6=(662,40)，P7=(830,450)，P8=(930,350)。绘制三次B样条曲线。移动鼠标光标到控制点上，光标变为手形，显示其坐标信息。拖动控制点，曲线形状随之发生改变，验证三次B样条曲线的特殊构造技巧。实验10交互式三次B样条曲线10.3效果图三次B样条曲线效果如图10-1所示。图10-1三次B样条曲线效果图实验11旋转的Koch雪花11.1实验目的掌握Koch雪花的构图方法。掌握递归模型的实现算法。实验11旋转的Koch雪花11.2实验要求建立平面二维坐标系，原点位于屏幕客户区中心，x轴水平向右为正，y轴铅直向上为正。以原点为圆心绘制半径为r的圆，与y轴交于P0点。从P0点开始，顺时针方向将圆三等分，得到P1和P2点。P0P1P2构成等边三角形，如图11-1所示。沿着等边三角形的三条边外侧分别绘制三段递归深度为4，夹角为60°的Koch曲线，形成Koch雪花，如图11-2所示。实验11旋转的Koch雪花11.2实验要求设置背景色为黑色，Koch雪花为白色，代表雪花中心点的十字线以蓝色绘制。设置动画按钮，控制Koch雪花围绕坐标系原点顺时针旋转。实验11旋转的Koch雪花11.3效果图旋转的Koch雪花绘制效果如图11-3所示。图11-3旋转的Koch雪花效果图实验12颜色渐变立方体12.1实验目的掌握凸多面体消隐算法。掌握双线性颜色插值算法。建立基本三维场景。实验12颜色渐变立方体12.2实验要求建立三维坐标系Oxyz，原点位于屏幕客户区中心，x轴水平向右为正，y轴铅直向上为正，z轴垂直于屏幕指向观察者。以原点为体心绘制透视投影立方体，立方体8个顶点的颜色分别为黑色、白色、红色、绿色、蓝色、黄色、品红色和青色。背景色为黑色，如图12-1所示。实验12颜色渐变立方体12.2实验要求使用凸多面体消隐算法消隐，只绘制立方体的可见表面。立方体的每个可见表面的内点根据4个顶点的颜色进行渐变填充。使用鼠标左键缩小立方体，使用鼠标右键放大立方体，使用键盘方向键旋转立方体。设置动画按钮，播放或停止立方体动画。实验12颜色渐变立方体12.3效果图颜色渐变立方体绘制效果如图12-2所示。图12-2颜色渐变立方体效果图实验13地理划分线框球13.1实验目的掌握球体地理划分法。实验13地理划分线框球13.