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Visual C+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（Visual C+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±、k1、0k1、-1k0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（de Casteliau） 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
