实验5 三维造型#

一、实验要求：#

1、实验目的： 了解常用的图形交互技术及实现方法，学习用户接口的程序设计；理解OpenGL中鼠标、键盘注册函数的使用；理解图形的层次模型的实现。

2、实验要求：

1. 使用键盘和菜单功能绘制不同的几何图形。
2. 使用多级显示列表绘制模型。

二、实验内容及步骤：#

实验内容：#

1、使用键盘和菜单功能绘制不同的几何图形，键盘的上、下、左、右键控制图形旋转，使用菜单选择绘制不同的图形。 2、完成头歌实训平台实验内容：CG4-v1.0-三维造型（选做）。

1、实验思路和实验步骤（重点）：#

实验思路：#

三维造型的建模效率在工业设计中至关重要。本实验结合交互式展示与层次模型复用，设计思路如下：

• 右键菜单交互：注册一个右键弹出菜单，提供四个选择条目（Cube, Sphere, Torus, Hierarchy Model），方便用户随时切换当前显示的几何体。
• 键盘旋转控制：使用全局旋转变量 g_rotationX 和 g_rotationY 控制视角。注册特殊键回调，通过键盘方向键的上、下、左、右动态控制模型绕 X 轴和 Y 轴连续旋转。
• 多级显示列表建模 (层次模型展示)：为了复用图元并提高渲染性能，预先将层次模型的各个部件编译成独立的显示列表：
  • kBodyList：编译渲染蓝色的长方体车身。
  • kWheelList：编译渲染黑色的圆环车轮。
  • kHeadList：编译渲染黄色的球体车头。 在绘制层次模型时，首先调用 kBodyList 绘制车身；然后在一个嵌套循环中，平移 4 个不同的偏移坐标，在垂直状态下重复调用 4 次 kWheelList 挂接车轮；最后在车身上方平移并调用 kHeadList 挂接车头。这完美展示了部件复用与坐标嵌套。

算法步骤（注意：不是代码，是算法流程）：#

1. 多级显示列表的编译与创建 (buildDisplayLists)：
   • 启用列表编译：调用 glNewList(ID, GL_COMPILE)。
   • 对 kBodyList（车身）：设置蓝色材质，使用 glPushMatrix 配合 glScalef(1.8f, 0.6f, 1.0f) 缩放并调用 glutSolidCube(1.0f) 生成长方体车身，然后 glPopMatrix。
   • 对 kWheelList（车轮）：设置黑色低反光材质，调用 glutSolidTorus(0.08, 0.22, 18, 24) 渲染圆环。
   • 对 kHeadList（车头）：设置金色材质，调用 glutSolidSphere(0.28, 30, 30) 渲染球体。
   • 结束编译：调用 glEndList()。
2. 层次模型的组装算法 (drawHierarchyModel)：
   • 步骤一：直接调用 glCallList(kBodyList) 渲染车身。
   • 步骤二：利用双重嵌套循环，生成 X 方向的对称符号 x_sign ∈ {-1, 1} 和 Z 方向的对称符号 z_sign ∈ {-1, 1}：
     • 使用 glPushMatrix 保护车身局部坐标系。
     • 平移至轮胎轮毂处：glTranslatef(0.55f * x_sign, -0.28f, 0.38f * z_sign)。
     • 绕 X 轴旋转 90 度以使圆环立起来：glRotatef(90.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f)。
     • 重复调用车轮列表：glCallList(kWheelList)。
     • glPopMatrix 弹出保护。
   • 步骤三：使用 glPushMatrix，平移至车身上方：glTranslatef(0.0f, 0.5f, 0.0f)，调用 glCallList(kHeadList) 渲染车头球体，然后 glPopMatrix。
   • 步骤四：平移并用立方体绘制左右对称的绿机械臂。
3. 右键弹出菜单注册：
   • 在 main 函数中，调用 glutCreateMenu(menu) 绑定菜单动作回调函数。
   • 调用 glutAddMenuEntry 分别添加立方体 (Cube)、球体 (Sphere)、圆环 (Torus) 以及层次模型 (Hierarchy Model) 条目。
   • 调用 glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON) 绑定鼠标右键触发。
4. 模型整体旋转控制：
   • 在特殊按键回调 special 中，捕获 GLUT_KEY_LEFT / GLUT_KEY_RIGHT 递减/递增 g_rotationY，捕获 GLUT_KEY_UP / GLUT_KEY_DOWN 递减/递增 g_rotationX。每次操作后重绘，以此实现整体姿态操纵。

2、实验数据记录：#

• 视口与视图配置：
  • 相机坐标：(0.0, 1.5, 5.5)，目标点：(0.0, 0.0, 0.0)，向上向量：(0.0, 1.0, 0.0)。
• 显示列表常量配置：
  • kBodyList ID：1
  • kWheelList ID：2
  • kHeadList ID：3
• 层次车轮平移矩阵偏置：
  • X 轴偏置：±0.55f。
  • Y 轴偏置：-0.28f。
  • Z 轴偏置：±0.38f。
• 机械臂配置：
  • 偏置位置：glTranslatef(±0.95f, 0.15f, 0.0f)，尺寸因子 (0.2f, 0.75f, 0.2f)，材质漫反射 {0.45f, 0.75f, 0.32f, 1.0f}。

3、实验结果与分析：#

• 右键菜单可以切换显示立方体、球体、圆环以及层级模型机器人。
• 按方向键可以控制模型在三维空间中旋转。
• 在层级模型（Hierarchy Model）中，由车身、车轮和头部组合而成的机器人模型在整体旋转时，各部件联动正常，车轮和车身保持正确的相对位置。

运行结果截图：#

三、心得体会：#

1. 显示列表的机制：在需要绘制包含多个部件的复杂三维物体时，使用显示列表（Display Lists）能够提高渲染效率。将立方体、车轮、头部的绘制分别录制进不同的显示列表中，在渲染循环中直接调用，大大减轻了数据通信开销。
2. 层级建模方法：层级建模是三维造型的核心方法。通过矩阵栈对子部件坐标系进行平移和旋转，可以让车轮、头部等子部位的局部变换基于车身坐标系进行，使各个关节随车身平移旋转而保持联动。
3. GLUT 右键菜单交互：GLUT 的右键菜单机制非常方便。通过绑定菜单项和对应的回调，利用 glutPostRedisplay 即可轻松实现 UI 选项切换与模型状态重绘的交互逻辑。