6.1 立方体透视投影#

1. 任务描述#

本关任务#

1. 学习了解三维图形几何变换原理。
2. 理解掌握 OpenGL 三维图形几何变换的方法。
3. 理解掌握 OpenGL 程序的模型视图变换。
4. 掌握 OpenGL 三维图形显示与观察的原理与实现。

预期输出#

具体要求#

1. 背景色为黑色，用 glClearColor 来完成。
2. 运用 glPushMatrix() 函数和 glPopMatrix() 函数进行矩阵操作，以中心为绘制原点，设置前景色为红色 glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)，绘制单位立方体线框，用 glutWireCube(1.0) 完成。
3. 运用 glPushMatrix() 函数和 glPopMatrix() 函数进行矩阵操作，设置前景色为绿色 glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)，设置线宽为 2.0 用 glLineWidth(2.0) 完成，将原单位立方体线框沿 X 轴正方向平移 2.0。
4. 运用 glPushMatrix() 函数和 glPopMatrix() 函数进行矩阵操作，沿 X 轴负方向平移 2.0，设置前景色为蓝色 glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)，绘制单位立方体实体用 glutSolidCube(1.0) 完成。
5. 由图可知，中间红色为一点透视。右边绿色和左边蓝色为两点透视。通过 glRotatef() 旋转绿色立方体，完成绿色立方体的三点透视。将绿色立方体绕 X 轴旋转 +30 度。

相关知识#

1. 实验内容：
   • 阅读教材有关三维图形变换原理，运行示范实验代码，掌握 OpenGL 程序三维图形变换的方法。
   • 阅读实验原理，运行示范实验代码，理解掌握 OpenGL 程序的模型视图变换。
   • 请分别调整观察变换矩阵、模型变换矩阵和投影变换矩阵的参数，观察变换结果。
   • 掌握三维观察流程、观察坐标系的确定、世界坐标系与观察坐标系之间的转换、平行投影和透视投影的特点，观察空间与规范化观察空间的概念。理解 OpenGL 图形库下视点函数、正交投影函数、透视投影函数。理解三维图形显示与观察代码实例。
2. 模型变换：
   • 设置模型的位置和方向，通过移动、旋转或缩放变换，让模型具有合适的位置和大小。

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开始你的任务吧，祝你成功！

2. 我的回答#

文件 step4/test4.cpp:

// 提示：在合适的地方修改或添加代码
#include <GL/freeglut.h>
#include<stdio.h>

// 评测代码所用头文件-开始
#include<opencv2/core/core.hpp>
#include<opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
// 评测代码所用头文件-结束

GLint winWidth = 400, winHeight =400 ; 	      //设置初始化窗口大小

/*观察坐标系参数设置*/
GLfloat x0 = 0.0, yy = 0.0, z0 = 5.0;	   //设置观察坐标系原点 
GLfloat xref = 0.0, yref = 0.0, zref = 0.0;	//设置观察坐标系参考点（视点） 
GLfloat Vx = 0.0, Vy = 1.0, Vz = 0.0;	   //设置观察坐标系向上向量（y轴） 

/*观察体参数设置 */
GLfloat xwMin = -1.0, ywMin = -1.0, xwMax = 1.0, ywMax = 1.0;//设置裁剪窗口坐标范围
GLfloat dnear = 1.5, dfar = 20.0;	      //设置远、近裁剪面深度范围

void init(void)
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}
void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    glLoadIdentity();
    /*观察变换*/
    gluLookAt(x0, yy, z0, xref, yref, zref, Vx, Vy, Vz);        //指定三维观察参数

    // 请在此添加你的代码
// 请在此添加你的代码
    /**** Begin **/

    // 1. 绘制中间红色立方体线框（一点透视）
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);       // 设置前景色为红色
    glutWireCube(1.0);              // 绘制单位立方体线框
    glPopMatrix();

    // 2. 绘制右边绿色立方体线框并旋转（三点透视）
    glPushMatrix();
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);       // 设置前景色为绿色 (题目说黑色但给了绿色的RGB值)
    glLineWidth(2.0);               // 设置线宽为2.0
    glTranslatef(2.0, 0.0, 0.0);    // 沿X轴正方向平移2.0
    glRotatef(30.0, 1.0, 0.0, 0.0); // 绕X轴旋转+30度
    glutWireCube(1.0);              // 绘制单位立方体线框
    glPopMatrix();

    // 3. 绘制左边蓝色立方体实体（两点透视）
    glPushMatrix();
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);       // 设置前景色为蓝色
    glTranslatef(-2.0, 0.0, 0.0);   // 沿X轴负方向平移2.0
    glutSolidCube(1.0);             // 绘制单位立方体实体
    glPopMatrix();

    /** End **/
    glFlush();
}

void reshape(GLint newWidth, GLint newHeight)
{
    /*视口变换*/
    glViewport(0, 0, newWidth, newHeight);	//定义视口大小

    /*投影变换*/
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);

    glLoadIdentity();

    /*透视投影，设置透视观察体*/
	glFrustum(xwMin, xwMax, ywMin, ywMax, dnear, dfar);

    /*模型变换*/
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    
    winWidth = newWidth;
    winHeight = newHeight;
}
int main(int argc, char* argv[])
{

    glutInit(&argc, argv);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutInitWindowSize( 400 , 400 );        //设置初始化窗口大小
    glutCreateWindow("三维观察");
    init();
    glutDisplayFunc(display);
    glutReshapeFunc(reshape);
    glutMainLoopEvent();





    /*************以下为评测代码，与本次实验内容无关，请勿修改**************/
    GLubyte* pPixelData = (GLubyte*)malloc(800 * 400 * 3);//分配内存
    GLint viewport[4] = { 0 };
    glReadBuffer(GL_FRONT);
    glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4);
    glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);
    glReadPixels(viewport[0], viewport[1], viewport[2], viewport[3], GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, pPixelData);
    cv::Mat img;
    std::vector<cv::Mat> imgPlanes;
    img.create(400, 400, CV_8UC3);
    cv::split(img, imgPlanes);

    for (int i = 0; i < 400; i++) {
        unsigned char* plane0Ptr = imgPlanes[0].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane1Ptr = imgPlanes[1].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane2Ptr = imgPlanes[2].ptr<unsigned char>(i);
        for (int j = 0; j < 400; j++) {
            int k = 3 * (i * 400 + j);
            plane2Ptr[j] = pPixelData[k];
            plane1Ptr[j] = pPixelData[k + 1];
            plane0Ptr[j] = pPixelData[k + 2];
        }
    }
    cv::merge(imgPlanes, img);
    cv::flip(img, img, 0);
    cv::namedWindow("openglGrab");
    cv::imshow("openglGrab", img);
    //cv::waitKey();
    cv::imwrite("../img_step4/test.jpg", img);
    return 0;
}

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