(完整版)vc++OpenGL三维图像的生成与显示技术研究说明书毕业设计

在计算机图形学中，模型(比如卡车或虚拟世界)一般只是考虑相对坐标，因此没有任何点被真正的区分区。 3.1.1坐标系及观察流程

物体模型要显示在屏幕上必须最终确定其显示的位置，即物体在设备坐标系中的位置。但逻辑上物体的位置总是在待渲染的场景中确定的，即建模坐标系中的位置。场景设计者设置物体在建模坐标系中的位置，然后OpenGL将其最终转换成显示设备坐标系中的位置。其中设计人员需要指定建模坐标系并将其传递给OpenGL，以供 OpenGL 转换。

事实上，在从场景物体位置转化成设备坐标系位置，最后物体显示在

屏幕上的过程中存在四种坐标系：建模坐标系(Modeling Coordinate)，世界坐标系(World Coordinate)，规范化设备坐标系(Normalized Device Coordinate)和设备坐标系(Device Coordinate)，它们之间的坐标变换如图3.1所示。

MC WC NVC

DC

图3.1坐标系变换

3.1.2 OpenGL坐标系方向

OpenGL采用右手系坐标系统，即伸出右手沿正向方向弯曲手指，则定义的方向对应于拇指所指向的方向。如图3.2所示。

图3.2右手法则

3.1.3模型视图变换

场景设计人员需要指定建模坐标系。OpenGL中默认的当前建模坐标系就是世界坐标系，且观察点位于世界坐标系原点，Z轴指向观察点，从观察点看去右边是X轴正向，上边是Y轴正向。若要修改之使其符合场景的

需要，必须指定坐标系变换。在 OpenGL以及绝大多数图形系统中坐标系变换是以矩阵的形式表示的，若要指定变换需将变换矩阵作为参数传递给 OpenGL，即调用 OpenGL模型视图变换。

指定 OpenGL模型视图变换有两种方法：(1)直接传递变换矩阵。(2)指定变换类型和变换参数。

指定矩阵参数的API是glMultMatrix(将参数乘以当前模型视图变换矩阵)和glLoadMatrix(将参数指定为当前模型视图变换矩阵)。该方法的优点是可以一次性指定多个变换的最后的变换结果。

OpenGL模型视图变换对应于几何中三种仿射变换有平移，旋转和缩放三种变换：API分别是glTranslate(平移)，glRotate(旋转)和glScale(缩放)。该方法比传递表示一种变换的矩阵参数效率高而且直观。

假设当前矩阵为单位矩阵，然后先乘以一个表示旋转的矩阵R，再乘以一个表示移动的矩阵T，最后得到的矩阵再乘上每一个顶点的坐标矩阵v。所以，经过变换得到的顶点坐标就是((RT)v)。由于矩阵乘法的结合率，((RT)v)=(R(Tv))，换句话说，实际上是先进行移动，然后进行旋转。即：实际变换的顺序与代码中写的顺序是相反的。所以，“先移动后旋转”和“先旋转后移动”得到的结果很可能不同。 3.1.4提高绘图效率和场景的层次性

在绘制具有多层建模层次的复杂场景时，会涉及很多模型视图矩阵操作，可利用OpenGL提供的矩阵堆栈来提升效率。

矩阵堆栈适用于构建层次式的模型，也就是通过简单的模型构建复杂的模型。例如，假如绘制的是一辆有4个轮子的汽车，每个轮子用5颗螺钉固定到汽车上。由于所有的轮子都是相同的，所有的螺钉看上去也没什么区别，因此可以用一个函数绘制轮子，用另一个函数绘制螺钉，这两个函数在一个方便的位置和方向绘制一个轮子或一颗螺钉，例如它们的中心在

原点，并且它们的轴与Z轴对齐。当绘制这辆包括了轮子和螺钉的汽车时，需要4次调用画轮子的函数，每次都使用不同的变换，使每个轮子处于正确的位置。当绘制每个轮子时，需要5次调用画螺钉的函数，每次都要根据轮子进行适当的变换。假定只需要绘制车身和轮子，可以改用以下方法。

绘制车身。记住自己的位置，并移动到右前轮的位置。绘制轮子，并丢弃上一次所进行的变换，使自己回到车身的原点位置。记住自己的位置，然后移动到左前轮。类似地，对于每个轮子，需要绘制轮子，记住自己的位置，然后连续地移动移动到绘制螺钉的每个位置，在画完每个螺钉之后丢弃上一次所进行的变换。由于变换是以矩阵的形式存储的，因此矩阵堆栈提供了一种理想的机制，用来完成这种类型的连续的记忆，移动和丢弃操作。

在OpenGL中模型视图矩阵的操作是矩阵堆栈最顶部的那个元素。 glPushMatrix是压栈，glPopMatrix是弹出。

3.2 投影

一个场景要显示在屏幕上必须确定场景中的哪些物体是可见的，投影变换的一个目的就是定义一个可视空间。定义可视空间有两种用途。它决定了一个3D空间中的物体如何映射到屏幕上(即通过使用透视投影或正投影)，并且定义了哪些物体或物体的部分被裁剪于最终的图像之外。投影有透视投影和正投影两种类型。 3.2.1透视投影

透视投影最显著的特点是透视缩放(foreshortening)：物体距观察点越

远，它最终在屏幕上看上去就越小，比如在火车头内向前照一个铁轨的照片，两条铁轨似乎在远处相交了。这是因为透视投影的可视空间是一个金字塔的平截头体。位于可视空间之内的物体被投影到金字塔的顶点，也就是观察点位置。靠近观察点的物体看上去大一些，因为和远处的物体相比，在平截头体的较大部分里，它们占据了相对较大的可视空间。这种投影方法常用于动画，视觉模拟以及其他要求某种程度的现实感的应用领域，因为它和日常生活中用眼睛观察事物的方式相同。

g1Frustum ()函数用于定义一个平截头体，它计算一个用于实现透视投影的矩阵，并把它与当前的投影矩阵(一般为单位矩阵)相乘。记住，可视空间用于裁剪那些位于它之外的物体。平截头体的4个侧面，项面和底面对应于可视空间的6个裁剪平面，位于这些平面之外的物体或物体的部分将被裁剪掉，不会出现在最终的图像中。且g1Frustum()函数并不需要定义一个对称的可视空间。

图3.3 glFrustum()创建透视投影

平截头体在三维空间中有一个默认的方向，可以在投影矩阵上执行旋转或移动，来改变方向。但是，这种方法难度较大。glFrustum()的使用不是很直观。因此，也可以用OpenGL工具库函数g1uPerspective()。这个函数创建一个可视空间，它与调用glFrustum()所产生的可视空间相同，但可以用一种不同的方式来指定它。这个函数并不是指定近裁剪平面的角，而是指定y方向上的视野的角度(θ)和纵横比(xy)。(对于正方形的屏幕，纵横比为1.0)。这两个参数足以确定沿实现方向的未平截头体金字塔，还需要指定观察点和近侧及远侧裁剪平面的距离，也就是对这个金字塔进行截除。此外，g1uPerspective()仅限于创建沿视线方向同时在x轴和y轴上对称的平截头体，这通常是所需要的。

和glFrustum()函数一样，可以执行旋转或移动，改变由gluPerspective()