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OpenGL植物建模(附完整代码、注释清晰、分步讲解)

2021-06-07 20:59:22计算机基础人已围观

简介目录1、成果2、myInit初始化函数3、加载纹理数据4、打开光照和材质5、显示列表封装绘制函数5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板6、投影变换7、封装树的绘制函数8、键盘响应函数&照相机的移动9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系完整代码在我上传的资源处下载完整代码在我上传的资源处下载完整代码在我上传的资源处下载1、成果2、myInit初始化函数该函数中

目录

    • 1、成果
    • 2、myInit初始化函数
    • 3、加载纹理数据
    • 4、打开光照和材质
    • 5、显示列表封装绘制函数
      • 5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干
      • 5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵
      • 5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接
      • 5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板
    • 6、投影变换
    • 7、封装树的绘制函数
    • 8、键盘响应函数&照相机的移动
    • 9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系

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1、成果

在这里插入图片描述

2、myInit初始化函数

该函数中是一个初始化环境的函数,负责开启深度测试、自动法向、加载纹理数据、调用光照函数、材质设置以及调用生成列表函数。

void myInit() {
	glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
	glDisable(GL_CULL_FACE);
	//自动法向防止变形
	glEnable(GL_NORMALIZE);
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
   //输入的深度值小于参考值,则通过
	glDepthFunc(GL_LESS);
	//纹理载入
    ……
	//打开纹理
	glEnable(GL_TEXTURE_2D);
	//调用打开光照函数
    ……
	//调用设置材质函数
	……
	//调用显示列表函数
	……
}

3、加载纹理数据

在myInit函数中设计for循环,依次图片路径数组读取图片,并依次加载进纹理数组中并分配编号,供后续贴图使用。每个编号均使用宏定义,更语义化。同时使用auxDIBImageLoad读取图片的宽高以及数据,不过VS2019中需要对图片路径字符转换为宽字符才能使用。

for (int i = 0; i < 9; i++) {
		//生成纹理编号
		glGenTextures(1, &ImagesIDs[i]);
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[i]);
		WCHAR wfilename[256];
		memset(wfilename, 0, sizeof(wfilename));
		//该函数映射一个字符串到一个宽字符(unicode)的字符串
		MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, szFiles[i], strlen(szFiles[i]) + 1, wfilename, sizeof(wfilename) / sizeof(wfilename[0]));
		Images[i] = auxDIBImageLoad(wfilename);  //加载图片

		//Images[i] = auxDIBImageLoadA(szFiles[i]);
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, Images[i]->sizeX, Images[i]->sizeY, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, Images[i]->data);

		//纹理被放大(一个纹元对应多个像素)
		//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

		//纹理被缩小(多个纹元对应一个像素)
		//选择距像素中心最近的四个texel的加权平均值作为像素的颜色
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);

		//纹理第一维坐标大于1小于0时,表现为裁剪
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
		//纹理第二维坐标大于1小于0时,表现为裁剪
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);

		//纹理环境
		//直接使用纹理图片替换
		glTexEnvf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
	}

4、打开光照和材质

设置光照和材质的函数都比较常规。在光照函数mySetupLights中,要设置环境光为白色,同时光源的位置中,最后一个参数为0,这样的光就是平行的光,更能模拟自然的太阳。

//灯光参数
void mySetupLights() {
	//环境光:白色的太阳光
	GLfloat ambientLight[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
	//glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);
	//光源的颜色与物体的颜色值相乘(叉乘)
	GLfloat diffuseLight[] = { 0.9, 0.9, 0.9, 1.0 };  //散射光
	//镜面光:白色
	GLfloat specularLight[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
	//阳光,模拟平行,第四个参数为0.0,定义相应的光源是定向光源,光线几乎是互相平行
	GLfloat posLight[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 };
	GLfloat local_view[] = { 0.0 };

	//平滑模式
	glShadeModel(GL_SMOOTH);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambientLight);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuseLight);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specularLight);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, posLight);
	glEnable(GL_LIGHT0);

	//镜面反射角度
	glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);
}

//材质相关函数
void myMaterial() {
	glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);

	//物体对各种光的强度
	GLfloat mat_ambient[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
	GLfloat mat_diffuse[] = { 0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };
	GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
	GLfloat env_ambient[] = { 0.9, 0.38, 0.1, 1.0 };
	GLfloat mat_shinness[] = { 50.0 };

	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shinness);

	//全局设置整个场景的环境光强度
	glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, env_ambient);
}

5、显示列表封装绘制函数

把绘制模型的函数,通过显示列表封装在myCreateList函数中,并提前在myInit函数中加载好,后续会在myTree函数中反复调用生成模型。每一个显示列表都用使用了glPushMatrix与glPopMatrix,这样所作变换操作就不会影响下一个变换,有些列表还使用了glPushAttrib与glPopAttrib,保证顶点处理时候的一些属性不影响后续顶点。

void myCreateList(void) {
	//创建树干绘制显示列表
	glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);
	……
	//保护现场,不污染其他绘制
	glPushMatrix();
     ……
	glPopMatrix();
	//删除曲面
	glEndList();

	//创建花朵绘制显示列表,八个大部分
	glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	//保护花朵的颜色等属性不污染其他绘制
	glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);
	……
	glPopAttrib();
	glPopMatrix();
	glEndList();

	//花朵和树干连接
	glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);
……
	glPopAttrib();
	glPopMatrix();
	glEndList();

	//地板的显示列表
	glNewList(LAND, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	……
	glPopMatrix();
	glEndList();

	//天空盒的显示列表
	glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE); 
	glPushMatrix();
    ……
	glPopMatrix();
	glEndList();
}

5.1显示列表封装绘制函数:绘制树干

通过gluNewQuadric函数可以绘制出底大顶小的圆柱体,但是需要注意的是默认绘制的圆柱轴与世界坐标系中z轴是平行的,如图8中的Ⅰ,所以在树干进行旋转变换(所有的模型变换都是基于局部坐标系)glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0)。这个时候树干在坐标系中效果为图8-Ⅲ、图8-Ⅳ。
在这里插入图片描述图8 树干局部坐标系的变换

//创建树干绘制显示列表
	glNewList(TRUNK, GL_COMPILE);
	//二次曲面 
	cylquad = gluNewQuadric();
	//绑定纹理
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[0]);
	//二次曲面绑定纹理
	gluQuadricTexture(cylquad, GL_TRUE);
	//保护现场
	glPushMatrix();
	//默认绘制的圆柱轴与z轴平行
	glRotatef(-90, 1.0, 0.0, 0.0);
	//绘制圆柱
	gluCylinder(cylquad, 0.1, 0.08, 1.7, 10, 10);
	glPopMatrix();
	//删除曲面
	gluDeleteQuadric(cylquad);
glEndList();

5.2显示列表封装绘制函数:绘制花朵

使用在线抠图网站,把模型描边(图9)扣出来。使用ppt,让坐标系图片与模型描边叠值(图10),人工读取花瓣特征坐标。为了贴图方便每一朵花瓣都切割为多个四边形,根据每片花瓣的长势,最少划分为2部分,最后划分为5部分。

//创建花朵绘制显示列表,八个大部分
	glNewList(FLOWER, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	//保护花朵的颜色
	glPushAttrib(GL_ALL_ATTRIB_BITS);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[1]);
	//粉色
	glColor3f(0.91f, 0.56f, 0.64f);

	glBegin(GL_QUADS); //part1-1
	glTexCoord2f(0.0, 0.22); glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);
	glTexCoord2f(0.6, 0.044); glVertex3f(0.30, -0.09, 0.0);
	glTexCoord2f(0.8, 0.22); glVertex3f(0.44, 0.0, 0.0);
	glTexCoord2f(1.0, 1.0);	glVertex3f(0.46, 0.19, 0.0);
	glEnd();
   glBegin(GL_QUADS); //part1-2
    ……
	glEnd();

	glBegin(GL_QUADS); //part2-1
    ……
	glEnd();
    //省略了很多,详情见工程文件
    ……
    ……
	glBegin(GL_QUADS);//part8-5
    ……
 	glEnd();

	glPopAttrib();
	glPopMatrix();
	glEndList();

在这里插入图片描述
图11 绘制的花朵

5.3显示列表封装绘制函数:花与树干的连接

从这里开始就体现了glPushMatrix与glPopMatrix的作用。因为绘制树干与花朵都是各自的glPushMatrix与glPopMatrix中,则树干与花朵都是基于世界坐标系(0,0,0)建模。在封装花朵与树干的连接的时候,先绘制树干,然后进行glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0)把花朵的局部坐标系向y轴平移1.7个单位,这个时候花朵才是在树干头顶开始绘制。坐标系如图12、13、14。

//花朵和树干连接
	glNewList(FLOWERANDTRUNK, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);

	glCallList(TRUNK);
	glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);
	glPushMatrix();
	glRotatef(90, 0.0, 1.0, 0.0);
	glRotatef(50, 1.0, 0.0, 0.0);
	glCallList(FLOWER);
	glPopMatrix();
	
    glPushMatrix();
	glRotatef(180, 0.0, 1.0, 0.0);
	glRotatef(60, 1.0, 0.0, 0.0);
	glCallList(FLOWER);
	glPopMatrix();

	glPopAttrib();
	glPopMatrix();
   glEndList();

在这里插入图片描述图12花朵未平移图在这里插入图片描述图13 花朵平移后图

在这里插入图片描述图14 花朵平移坐标系示意图

5.4显示列表封装绘制函数:天空盒和地板

天空盒就是一个正六面体,然后按照顺序贴图。地板就是一块平行于世界坐标系的x0y面的正方形区域

//天空盒的显示列表
	glNewList(SKYBOX, GL_COMPILE); //天空背景
	glPushMatrix();
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[3]);
	/** 绘制背面 */
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
	glEnd();
	glPopMatrix();

	/** 绘制前面 */
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[4]);
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
	glEnd();

	/** 绘制底面 */
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[5]);
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
	glEnd();

	/** 绘制顶面 */
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[6]);
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
	glEnd();

	/** 绘制左面 */
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[7]);
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, -10);
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-10, 10, 10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, 10);
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-10, -10, -10);
	glEnd();

	///** 绘制右面 */
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[8]);
	glBegin(GL_QUADS);
	/** 指定纹理坐标和顶点坐标 */
	glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, -10);
	glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f(10, 10, 10);
	glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, 10);
	glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(10, -10, -10);
	glEnd();

	glEndList();
	
}
	//地板的显示列表
	glNewList(LAND, GL_COMPILE);
	glPushMatrix();
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ImagesIDs[2]);
	glBegin(GL_QUADS);
	glTexCoord2d(0.0, 0.0);   glVertex3f(10, 0, 10);
	glTexCoord2d(1.0, 0.0);   glVertex3f(10, 0, -10);
	glTexCoord2d(1.0, 1.0);   glVertex3f(-10, 0, -10);
	glTexCoord2d(0.0, 1.0);   glVertex3f(-10, 0, 10);
	glEnd();
	glPopMatrix();
	glEndList()

6、投影变换

gluPerspective函数2个功能:一是产生一个视锥体让平面的图形开始有立体感,在世界坐标系中的z轴上平移时候有近大远小的变化。另外一个就是窗口发生变化时候,计算新的窗口的宽高比进行重绘视口,这样保证图形不变形。同时注意,变换之后,一定要变换回模型坐标系,以便正确接下来的模型绘制与变换。

//防止窗口变形函数
void myOnReshape(int w, int h) {
	WinWidth = w;
	WinHeight = h;
	glViewport(0, 0, w, h);
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	gluPerspective(60.0, (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1, 30.0);
	//恢复为模型变换的矩阵,当然也可以写在myDisplay中
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glLoadIdentity();
}

7、封装树的绘制函数

树的绘制函数是本次实验中建模的关键。 采用递归思想,对函数进行封装,先写好只有一个树干,一朵花的函数(图13)。通过反复调用该函数生成若干个枝条,在正确进行拼接,最终得到一颗完整的树。三个要点:
 每段枝条都是生长在前一段枝条的末端
 每段枝条比前一条细
 花朵有大有小
if语句块决定递归的深度,以及正真的调用绘制。else语句块决定随机的模型变换矩阵,通过递归变换矩阵会随函数调用栈逐步相乘,最终起到逐步缩小枝条、缩小花朵、后一段枝条与前一段枝条的拼接的3大效果。

//生成树的函数
void myTree(int m) {
	long savedseed;
	//结束递归的标志
	//数字越大,枝条越细,也越多
	if (m == 8) {
		glPushMatrix();
		glRotatef(60.0 + myRand() * 120.0, 0.0, 1.0, 0.0);
		//正真的开始绘制树枝和连接处
		glCallList(FLOWERANDTRUNK);
		glPopMatrix();
	}else {
		//这里面只是决定递归的层数

		//调用树干
		glCallList(TRUNK);

		glPushMatrix();
		//把局部坐标系移到木桩的顶部开始
		glTranslatef(0.0, 1.7, 0.0);

		//绘制的花都很大,都缩小点
		glScalef(0.75, 0.75, 0.75);

		//生成随机数
		savedseed = rand();

		//递归调用
		glPushMatrix();
		//随机绕y轴旋转,表现形式就是屏幕平面上旋转(左升右下)
		glRotatef(10.0 + myRand() * 10.0, 0.0, 1.0, 0.0);

		//随机绕z轴旋转,表现形式往屏幕外面旋转
		glRotatef(20.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);

		//结束递归调用
		myTree(m + 1);
		glPopMatrix();

		//初始化新的随机数种子seed
		srand(savedseed);
		savedseed = rand();

		//被包裹在最开始的push与pop中,缩放效果的到叠加
		glPushMatrix();
		//随机绕y轴旋转,表现形式就是屏幕平面上旋转(左升右下)
		glRotatef(250.0 + myRand() * 80.0, 0.0, 1.0, 0.0);
		glRotatef(60.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);
		myTree(m + 1);
		glPopMatrix();

		//让随机数更随机一点
		srand(savedseed);
		savedseed = rand();

		glPushMatrix();
		glRotatef(180.0 + myRand() * 90.0, 0.0, 1.0, 0.0);
		glRotatef(30.0 + myRand() * 30.0, 0.0, 0.0, 1.0);
		myTree(m + 1);
		glPopMatrix();

		glPopMatrix();

	}
}

8、键盘响应函数&照相机的移动

通过绑定键盘按键和变量,控制照相机在世界坐标系中的位置,达到移动效果。完成上面代码后,运行编译,发现绘制的树太高了,超出屏幕上方看不见了,这个时候使用glPushMatrix与glPopMatrix对树与地板在他们的局部坐标系中往y轴与z轴方向平移。使的树与地板相对世界坐标系或者投影坐标系中往下与往后移动,得以看到树的全貌。

//myDisplay中调用绘制函数
void myDisplay(void) {

	//清除颜色缓冲和深度缓冲
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
	//摄像机位置
	gluLookAt(g_LandR, g_UandD, g_Z, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

	//绘制树的时候,打开光照
	glEnable(GL_LIGHTING);

	//只想让树平移,而不想影响天空盒
	glPushMatrix();
	//相对世界坐标系的左右,前后,上下
	glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);
	//绘制树
	myTree(0);
	//绘制土地
	glCallList(LAND);
	glPopMatrix();

	glDisable(GL_LIGHTING);  //绘制天空背景的时候,关闭光照
	glCallList(SKYBOX);

	//交换缓冲
	glutSwapBuffers();
}

//键盘控制交互
void myKey(unsigned char key, int x, int y) {
	switch (key) {
	case 'w':
		g_UandD += 0.1;
		glutPostRedisplay();
		break;
	case 's':
		g_UandD -= 0.1;
		glutPostRedisplay();
		break;
	case 'a':
		g_LandR -= 0.1;
		glutPostRedisplay();
		break;
   case 'd':
		g_LandR += 0.1;
		glutPostRedisplay();
		break;
	case 'q':
		g_Z += 0.1;
		glutPostRedisplay();
		break;
	case 'e':
		g_Z -= 0.1;

		break;
	default:
		break;
	}

	//重要
	myOnReshape(WinWidth,WinHeight);
	glutPostRedisplay();
}

9、摄像机、视锥体、局部坐标系、世界坐标系的关系

所有代码完成后,并注释myDisplay函数中的这条glTranslatef语句后。所有代码之后造成的坐标系为图15。注意这个图是从计算机屏幕右侧面绘制的

//只想让树平移,而不想影响天空盒
	glPushMatrix();
	//相对世界坐标系的左右,前后,上下
	//glTranslatef(0.0, -2.0, -2.0);
	//绘制树
	myTree(0);
	//绘制土地
	glCallList(LAND);
	glPopMatrix();

在这里插入图片描述图15 建模后的坐标系与投影变换

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_45549336/article/details/117598086

Tags:OpenGL 植物建模 c++ 三维可视化 海棠花 

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