计算机图形学实验四球体 Gouraud 光照模型_gourand光照模型

• 实验目的

（1）掌握双线性光强插值模型。

二、实验步骤

（1）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。

（2）绘制体心和坐标系中心重合的球体表面，使用 ZBuffer 消隐算法进行消

隐。使用 Z‐Buffer 算法对球面进行深度消隐，然后使用有效边表算法进行填充。

为了减少渲染的面片数，先使用凸多面体消隐算法对球体不可见面片进行剔除。

然后使用 Z‐Buffer 算法对可见面片进行消隐，最后使用有效边表算法进行填充。

使用 CZBuffer 类对象 zbuf 进行处理，区分了三角面片和四边形面片两种情况。

（3）使用单点光源对球体进行照射生成 Gouraud 光照模型，光源位置位于

球体右上方。使用 CTestView 类的构造函数设置默认的光源颜色和材质颜色。场景中使用了一个点光源，光源颜色为白色，位于屏幕右上方。物体材质为红色。

（4）使用键盘方向键旋转球体。

（5）使用动画按钮，播放或停止球体动画。

三、实验结果

四、实验体会

在本次实验中，通过不断的探索和实践，我掌握了双线性光强插值模型的构造，知道怎么使用ZBuffer消隐算法进行消隐，怎么使用单点光源对球体进行照射生成Gourand光照模型，在这些过程中，我熟悉了光照模型、双线性颜色插值算法以及对有效边表填充算法更加熟练。虽然过程中遇到了许多困难，但在再次阅读教材理解教材后，以及跟同学讨论后，最终通过不断的努力将实验完成了，学会了将理论知识用在实践中，收获良多。

附录：源代码

创建的相应类

#include "stdafx.h"
#include "Test.h"
 
#include "TestDoc.h"
#include "TestView.h"
 
#include "math.h"
#define  PI 3.1415926
#define  ROUND(x)  int(x+0.5)
 
#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[] = __FILE__;
#endif
 
/
// CTestView
 
IMPLEMENT_DYNCREATE(CTestView, CView)
 
BEGIN_MESSAGE_MAP(CTestView, CView)
	//{{AFX_MSG_MAP(CTestView)
	ON_WM_KEYDOWN()
	ON_COMMAND(ID_MENUPlay, OnMENUPlay)
	ON_WM_TIMER()
	ON_UPDATE_COMMAND_UI(ID_MENUPlay, OnUpdateMENUPlay)
	ON_WM_ERASEBKGND()
	//}}AFX_MSG_MAP
	// Standard printing commands
	ON_COMMAND(ID_FILE_PRINT, CView::OnFilePrint)
	ON_COMMAND(ID_FILE_PRINT_DIRECT, CView::OnFilePrint)
	ON_COMMAND(ID_FILE_PRINT_PREVIEW, CView::OnFilePrintPreview)
END_MESSAGE_MAP()
 
/
// CTestView construction/destruction
 
CTestView::CTestView()
{
	// TODO: add construction code here
	P=NULL;F=NULL;
	Play=FALSE;
    R=1000,d=800,Phi=90.0,Theta=0;	
 	LightNum=1;//光源个数
 	pLight=new CLighting(LightNum);//一维光源动态数组
 	pLight->Light[0].SetPosition(800,800,800);//设置光源位置坐标
	for(int i=0;i<LightNum;i++)
	{
		pLight->Light[i].L_Diffuse=CRGB(1.0,1.0,1.0);//光源的漫反射颜色	
		pLight->Light[i].L_Specular=CRGB(1.0,1.0,1.0);//光源镜面高光颜色
		pLight->Light[i].L_C0=1.0;//常数衰减系数
		pLight->Light[i].L_C1=0.0000001;//线性衰减系数
		pLight->Light[i].L_C2=0.00000001;//二次衰减系数
		pLight->Light[i].L_OnOff=TRUE;//光源开启	
	}
 	pMaterial=new CMaterial;//一维材质动态数组
	pMaterial->M_Ambient=CRGB(0.547,0.08,0.0);//材质对环境光的反射率
	pMaterial->M_Diffuse=CRGB(0.85,0.08,0.0);//材质对漫反射光的反射率
	pMaterial->M_Specular=CRGB(0.828,0.8,0.8);//材质对镜面反射光的反射率
	pMaterial->M_Emit=CRGB(0.2,0.0,0.0);//材质自身发散的颜色
	pMaterial->M_Exp=20.0;//高光指数
}
 
CTestView::~CTestView()
{
	if(pLight!=NULL)
	{
		delete [] pLight;
		pLight=NULL;
	}
	if(pMaterial!=NULL)
	{
		delete pMaterial;
		pMaterial=NULL;
	}
	if(P!=NULL)
	{
		delete[] P;
		P=NULL;
	}
	for(int n=0;n<N1;n++)//注意撤销次序,先列后行,与设置相反
	{
		delete[] F[n];
		F[n]=NULL;
	}
	delete[] F;
	F=NULL;
}
 
BOOL CTestView::PreCreateWindow(CREATESTRUCT& cs)
{
	// TODO: Modify the Window class or styles here by modifying
	//  the CREATESTRUCT cs
 
	return CView::PreCreateWindow(cs);
}
 
/
// CTestView drawing
 
void CTestView::OnDraw(CDC* pDC)
{
	CTestDoc* pDoc = GetDocument();
	ASSERT_VALID(pDoc);
	// TODO: add draw code for native data here
	DoubleBuffer();	
}
 
/
// CTestView printing
 
BOOL CTestView::OnPreparePrinting(CPrintInfo* pInfo)
{
	// default preparation
	return DoPreparePrinting(pInfo);
}
 
void CTestView::OnBeginPrinting(CDC* /*pDC*/, CPrintInfo* /*pInfo*/)
{
	// TODO: add extra initialization before printing
}
 
void CTestView::OnEndPrinting(CDC* /*pDC*/, CPrintInfo* /*pInfo*/)
{
	// TODO: add cleanup after printing
}
 
/
// CTestView diagnostics
 
#ifdef _DEBUG
void CTestView::AssertValid() const
{
	CView::AssertValid();
}
 
void CTestView::Dump(CDumpContext& dc) const
{
	CView::Dump(dc);
}
 
CTestDoc* CTestView::GetDocument() // non-debug version is inline
{
	ASSERT(m_pDocument->IsKindOf(RUNTIME_CLASS(CTestDoc)));
	return (CTestDoc*)m_pDocument;
}
#endif //_DEBUG
 
/
// CTestView message handlers
void CTestView::ReadPoint()//读入点坐标
{
	int gafa = 4, gbeta = 4;//面片夹角
	N1 = 180 / gafa, N2 = 360 / gbeta;//N1 为纬度区域,N2 为经度区域
	P = new CP3[(N1-1)*N2 + 2];//P 为球的顶点
	//纬度方向除南北极点外有"N1－1"个点，"2"代表南北极两个点
	double afa1, beta1, r = 300;//r 为球体半径
	//计算北极点坐标
	P[0].x = 0;
	P[0].y = r;
	P[0].z = 0;
	//按行循环计算球体上的点坐标
	for (int i = 0; i < N1-1; i++)
	{
		afa1 = (i + 1)*gafa*PI / 180;
		for (int j = 0; j < N2; j++)
		{
			beta1 = j * gbeta*PI / 180;
			P[i*N2 + j + 1].x = r * sin(afa1)*sin(beta1);
			P[i*N2 + j + 1].y = r * cos(afa1);
			P[i*N2 + j + 1].z = r * sin(afa1)*cos(beta1);
		}
	}
	//计算南极点坐标
	P[(N1-1)*N2 + 1].x = 0;
	P[(N1-1)*N2 + 1].y = -r;
	P[(N1-1)*N2 + 1].z = 0;
}
 
 
void CTestView::PointColor()//计算面片顶点颜色
{
	for (int i = 0; i < (N1-1)*N2 + 2; i++)//遍历所有点
	{
		CVector PNormal(P[i]);//点的位置矢量代表共享该点的所有面的平均法矢量
		P[i].c = pLight->Lighting(ViewPoint, P[i], PNormal, pMaterial);//调用光照函数
	}
}
 
void CTestView::ReadFace()//读入面表
{
	//设置二维动态数组
	F = new CFace *[N1];//设置行
	for (int n = 0; n < N1; n++)
	{
		F[n] = new CFace[N2];//设置列
	}
	for (int j = 0; j < N2; j++)//构造北极三角形面片
	{
		int tempj = j + 1;
		if (tempj == N2) tempj = 0;//面片的首尾连接
		int NorthIndex[3];//北极三角形面片索引号数组
		NorthIndex[0] = 0;
		NorthIndex[1] = j + 1;
		NorthIndex[2] = tempj + 1;
		F[0][j].SetEN(3);
		for (int k = 0; k < F[0][j].En; k++)
		{
			F[0][j].p[k] = NorthIndex[k];
		}
	}
	for (int i = 1; i < N1-1; i++)//构造球体四边形面片
	{
		for (int j = 0; j < N2; j++)
		{
			int tempi = i + 1;
			int tempj = j + 1;
			if (tempj == N2) tempj = 0;
			int BodyIndex[4];//球体四边形面片索引号数组
			BodyIndex[0] = (i-1)*N2 + j + 1;
			BodyIndex[1] = (tempi-1)*N2 + j + 1;
			BodyIndex[2] = (tempi-1)*N2 + tempj + 1;
			BodyIndex[3] = (i-1)*N2 + tempj + 1;
			F[i][j].SetEN(4);
			for (int k = 0; k < F[i][j].En; k++)
			{
				F[i][j].p[k] = BodyIndex[k];
			}
		}
	}
	for (int j = 0; j < N2; j++)//构造南极三角形面片
	{
		int tempj = j + 1;
		if (tempj == N2) tempj = 0;
		int SouthIndex[3];//南极三角形面片索引号数组
		SouthIndex[0] = (N1-2)*N2 + j + 1;
		SouthIndex[1] = (N1-1)*N2 + 1;
		SouthIndex[2] = (N1-2)*N2 + tempj + 1;
		F[N1-1][j].SetEN(3);
		for (int k = 0; k < F[N1-1][j].En; k++)
		{
			F[N1-1][j].p[k] = SouthIndex[k];
		}
	}
}
 
 
void CTestView::InitParameter()
{
	k[1]=sin(PI*Theta/180);//sin(theta)
	k[2]=sin(PI*Phi/180);//sin(phi)
	k[3]=cos(PI*Theta/180);//cos(theta)
	k[4]=cos(PI*Phi/180);//cos(phi)
	k[5]=k[2]*k[3];//sin(phi)*cos(theta)
	k[6]=k[2]*k[1];//sin(phi)*sin(theta)
	k[7]=k[4]*k[3];//cos(phi)*cos(theta)
	k[8]=k[4]*k[1];//cos(phi)*sin(theta)
	ViewPoint.x=R*k[6];//用户坐标系的视点球坐标
	ViewPoint.y=R*k[4];
	ViewPoint.z=R*k[5];
}
 
void CTestView::PerProject(CP3 P)
{
	CP3 ViewP;
	ViewP.x=P.x*k[3]-P.z*k[1];//观察坐标系三维坐标
	ViewP.y=-P.x*k[8]+P.y*k[2]-P.z*k[7];
	ViewP.z=-P.x*k[6]-P.y*k[4]-P.z*k[5]+R;
	ViewP.c=P.c;
    ScreenP.x=d*ViewP.x/ViewP.z;//屏幕坐标系三维坐标
	ScreenP.y=ROUND(d*ViewP.y/ViewP.z);
	ScreenP.z=d*(R-ViewP.z)/ViewP.z;
	ScreenP.c=ViewP.c;
}
 
void CTestView::DoubleBuffer()//双缓冲
{
	CDC* pDC=GetDC();
	CRect rect;//定义客户区
	GetClientRect(&rect);//获得客户区的大小
	pDC->SetMapMode(MM_ANISOTROPIC);//pDC自定义坐标系
	pDC->SetWindowExt(rect.Width(),rect.Height());//设置窗口范围
	pDC->SetViewportExt(rect.Width(),-rect.Height());//x轴水平向右，y轴垂直向上
	pDC->SetViewportOrg(rect.Width()/2,rect.Height()/2);//屏幕中心为原点
	CDC MemDC;//内存DC
	CBitmap NewBitmap,*pOldBitmap;//内存中承载图像的临时位图
	MemDC.CreateCompatibleDC(pDC);//建立与屏幕pDC兼容的MemDC 
	NewBitmap.CreateCompatibleBitmap(pDC,rect.Width(),rect.Height());//创建兼容位图 
	pOldBitmap=MemDC.SelectObject(&NewBitmap);//将兼容位图选入MemDC 
	MemDC.FillSolidRect(rect,RGB(128,0,0));//填充背景色
	MemDC.SetMapMode(MM_ANISOTROPIC);//MemDC自定义坐标系
	MemDC.SetWindowExt(rect.Width(),rect.Height());
	MemDC.SetViewportExt(rect.Width(),-rect.Height());
	MemDC.SetViewportOrg(rect.Width()/2,rect.Height()/2);
	DrawObject(&MemDC);
	pDC->BitBlt(-rect.Width()/2,-rect.Height()/2,rect.Width(),rect.Height(),&MemDC,-rect.Width()/2,-rect.Height()/2,SRCCOPY);//将内存位图拷贝到屏幕
	MemDC.SelectObject(pOldBitmap);//恢复位图
	NewBitmap.DeleteObject();//删除位图
	MemDC.DeleteDC();//删除MemDC
	ReleaseDC(pDC);//释放DC
}
 
void CTestView::DrawObject(CDC *pDC)//绘制球面
{
	PointColor();
	CZBuffer *zbuf = new CZBuffer;//申请内存
	zbuf->InitDeepBuffer(800, 800, -1000);//深度初始化
	CPi3 Point3[3];//南北极顶点数组
	CPi3 Point4[4];//球体顶点数组   
	for (int i = 0; i < N1; i++)
	{
		for (int j = 0; j < N2; j++)
		{
			CVector VS(P[F[i][j].p[1]], ViewPoint);//面的视矢量
			F[i][j].SetNormal(P[F[i][j].p[0]], P[F[i][j].p[1]], P[F[i][j].p[2]]);
			if (Dot(VS, F[i][j].Normal) >= 0)//背面剔除
			{
				if (F[i][j].En == 3)//三角形面片
				{
					for (int m = 0; m < F[i][j].En; m++)
					{
						PerProject(P[F[i][j].p[m]]);
						Point3[m] = ScreenP;
					}
					zbuf->SetPoint(Point3, 3);//设置顶点      
					zbuf->CreateBucket();//建立桶表
					zbuf->CreateEdge();//建立边表
					zbuf->Gouraud(pDC);//填充三角形   
					zbuf->ClearMemory();//内存清理          
				}
				else//四边形面片
				{
					for (int m = 0; m < F[i][j].En; m++)
					{
						PerProject(P[F[i][j].p[m]]);
						Point4[m] = ScreenP;
					}
					zbuf->SetPoint(Point4, 4);//设置顶点 
					zbuf->CreateBucket();//建立桶表
					zbuf->CreateEdge();//建立边表
					zbuf->Gouraud(pDC);//填充四边形   
					zbuf->ClearMemory();//内存清理
				}
			}
		}
	}
	delete zbuf;//释放内存
}
	
void CTestView::OnKeyDown(UINT nChar, UINT nRepCnt, UINT nFlags) 
{
	// TODO: Add your message handler code here and/or call default
	if(!Play)
	{
		switch(nChar)
		{
		case VK_UP:
			afa=-5;
			tran.RotateX(afa);
			break;
		case VK_DOWN:
			afa=5;
			tran.RotateX(afa);
			break;
		case VK_LEFT:
			beta=-5;
			tran.RotateY(beta);
			break;
		case VK_RIGHT:
		    beta=5;
			tran.RotateY(beta);
			break;
		default:
			break;			
		}
		Invalidate(FALSE);		
	}
	CView::OnKeyDown(nChar, nRepCnt, nFlags);
}
 
void CTestView::OnMENUPlay() 
{
	// TODO: Add your command handler code here
	Play=Play?FALSE:TRUE;
	if (Play)//设置定时器
		SetTimer(1,15,NULL);	
	else
		KillTimer(1);
}
 
void CTestView::OnTimer(UINT nIDEvent) 
{
	// TODO: Add your message handler code here and/or call default
	afa=5;beta=5;
	tran.RotateX(afa);
	tran.RotateY(beta);
	Invalidate(FALSE);
	CView::OnTimer(nIDEvent);
}
 
 
void CTestView::OnUpdateMENUPlay(CCmdUI* pCmdUI)//动画按钮状态函数  
{
	// TODO: Add your command update UI handler code here
	if(Play)
	{
		pCmdUI->SetCheck(TRUE);
		pCmdUI->SetText("停止");
	}
	else
	{
		pCmdUI->SetCheck(FALSE);
		pCmdUI->SetText("播放");
	}		
}
 
BOOL CTestView::OnEraseBkgnd(CDC* pDC)//禁止背景刷新
{
	// TODO: Add your message handler code here and/or call default
	return TRUE;
}
 
void CTestView::OnInitialUpdate() 
{
	CView::OnInitialUpdate();
	// TODO: Add your specialized code here and/or call the base class
	ReadPoint();
	ReadFace();
	tran.SetMat(P,(N1-1)*N2+2);
	InitParameter();
}