实验6 真实感图形的绘制#

一、实验要求：#

1、实验目的： 理解消隐的概念、原理；掌握几种常用的消隐算法的思想；能够编程实现经典的面消隐算法，如Z-buffer算法、画家算法等，以加深对消隐算法的理解和掌握；理解计算机图形学中有关着色、光照、材质、纹理处理的编程原理；加深学生对几何变换、投影变换以及观察变换的理解，并提高学生利用图形软件包绘制图形的能力；能够综合运用本课程所学的有关知识，编写具有一定真实感效果的三维物体程序。

2、实验要求：

1. 理解OpenGL中消隐的实现。
2. 理解深度缓存和帧缓存的作用。
3. 利用Z-buffer算法或画家算法，画出一个消隐的立体图形。
4. 理解光源的设置、光照函数的含义。
5. 理解纹理映射的实现。

二、实验内容及步骤：#

实验内容：#

1、运行相关程序，理解OpenGL中物体遮挡关系的实现。适当修改程序，添加若干三维物体，体会其遮挡关系。 2、完成头歌实训平台实验内容：CG7-v2.0-实体消隐。 3、运行相关程序，理解光源的设置、光照函数的含义以及参数的含义。添加一个其他颜色的光源，使用”w、s、a、d”键控制光源的移动，体会多光源的效果。 4、完成头歌实训平台实验内容：CG5-v1.0-简单光照效果。 5、完成头歌实训平台实验内容：CG6-v1.0-纹理映射。 6、使用图案纹理映射，使用图片纹理绘制不同花纹的茶壶（选做）。

1、实验思路和实验步骤（重点）：#

实验思路：#

要使三维模型呈现真实感，遮挡关系、明暗光影、质感纹理缺一不可。

• 面消隐处理：使用 Z-buffer 消隐技术。在初始化时使能 GL_DEPTH_TEST，并在每帧渲染清除时使用 GL_DEPTH_BUFFER_BIT 清空深度缓冲，从而保证空间位置靠前的物体正确遮挡靠后的物体。
• 程序化棋盘格纹理 (纹理映射)：本实验在内存中直接分配一个 64×64 的二维像素数组，通过行与列索引的奇偶判断，间隔填入浅蓝色与深蓝色，生成一个棋盘格图样。接着利用 glTexImage2D 将数据上传至 GPU，并在地面矩形的四个顶点上，为 glTexCoord2f 指定大于 1.0 的纹理重复坐标，实现地面的棋盘格子平铺效果。
• 双光源与互动光照：场景配置两盏灯：
  • GL_LIGHT0 (主光源)：固定于左侧上方的暖白色平行光，保证全局基本照亮。
  • GL_LIGHT1 (次光源)：由键盘按键 W/A/S/D 控制其 X 轴和 Z 轴坐标的蓝色点光源。 为了便于直观寻找其位置，直接在次光源坐标处渲染了一个发出微蓝色荧光的小球体，做为光源标记。
• 不同材质配置：中间的茶壶设定为金色高反光材质，左侧立方体设定为红色中反光材质，右侧球体设定为亮蓝色微反光材质。在双光源照耀下，能看到红蓝两色高光在茶壶上的重叠混合。

算法步骤（注意：不是代码，是算法流程）：#

1. 程序化棋盘格纹理生成算法 (generateCheckerTexture)：
   • 设定纹理尺寸 Size = 64。
   • 双重循环 y 从 0 到 63，x 从 0 到 63：
     • 计算当前的单元格行列判定值：cell = (x / 8) + (y / 8)。
     • 若 cell % 2 == 0，则赋予像素深蓝色 {60, 95, 160}；若为奇数，则赋予浅蓝色 {220, 210, 255}。
   • 调用 glGenTextures(1, &g_checkerTexture) 生成纹理 ID 并绑定。
   • 设置纹理过滤模式为线性过滤 GL_LINEAR，设置纹理环绕方式为重复 GL_REPEAT。
   • 上传图像：glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, Size, Size, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, pixels)。
2. 消隐开启与配置：
   • 在 init 函数中调用 glEnable(GL_DEPTH_TEST)。
   • 在 display 中首先调用 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)，在帧重绘前重置颜色和深度缓存，确保 Z-buffer 正常。
3. 光照实时更新与移动控制：
   • 定义 updateLights 函数：
     • 将 GL_LIGHT0 位置设为固定 (-2.2f, 3.4f, 2.8f, 1.0f)。
     • 将 GL_LIGHT1 位置实时绑定到点光源位置数组 g_secondaryLightPosition = {x, 1.8f, z, 1.0f}。
     • 分别设置两盏灯的 Diffuse 和 Specular 属性并使能它们。
   • 在 keyboard 回调中捕获按键：
     • w / W：次光源沿 Z 轴负向平移 g_secondaryLightPosition[2] -= 0.2f。
     • s / S：次光源沿 Z 轴正向平移 g_secondaryLightPosition[2] += 0.2f。
     • a / A：次光源沿 X 轴负向平移 g_secondaryLightPosition[0] -= 0.2f。
     • d / D：次光源沿 X 轴正向平移 g_secondaryLightPosition[0] += 0.2f。
4. 纹理地面的渲染：
   • glEnable(GL_TEXTURE_2D) 开启二维纹理。
   • 绑定棋盘格纹理：glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, g_checkerTexture)。
   • 开启四边形渲染 glBegin(GL_QUADS) 并计算法线 glNormal3f(0, 1, 0)。
   • 设置纹理重复度：为 4 个角顶点分别绑定纹理坐标 $(0,0)$, $(6,0)$, $(6,6)$, $(0,6)$，并传入地面的 3D 边界坐标。
   • glEnd() 绘制完毕后 glDisable(GL_TEXTURE_2D)。

2、实验数据记录：#

• 观察视口配置：
  • 相机坐标：(0.0, 2.4, 6.6)，观察看点 (0.0, -0.15, 0.0)，向上向量：(0.0, 1.0, 0.0)。
• 材质漫反射数据：
  • 地面（纹理底色）：{0.9f, 0.9f, 0.9f, 1.0f}，光泽度 10.0。
  • 金黄色茶壶（中心）：环境光 {0.1f, 0.08f, 0.04f}，漫反射 {0.85f, 0.66f, 0.22f}，高光 {1.0f, 0.95f, 0.82f}，尺寸为 0.65，光泽度 68.0f。
  • 红色立方体（左侧）：环境光 {0.08f, 0.02f, 0.02f}，漫反射 {0.92f, 0.25f, 0.28f}，高光 {0.85f, 0.82f, 0.82f}，尺寸为 0.9f，光泽度 30.0f。
  • 蓝色球体（右侧）：环境光 {0.03f, 0.08f, 0.12f}，漫反射 {0.2f, 0.78f, 0.96f}，高光 {0.92f, 0.98f, 1.0f}，半径为 0.62，细分度 32, 32，光泽度 50.0f。
• 移动点光源 (GL_LIGHT1) 基础参数：
  • 初始位置：(1.8f, 1.8f, 1.2f)。
  • 光源色彩：蓝色 Diffuse {0.38f, 0.72f, 1.0f}，高光 Specular {0.5f, 0.82f, 1.0f}。
  • 发光标记小球尺寸：半径 0.12，发射光材质设置：GL_EMISSION 设为 {0.2f, 0.5f, 0.9f, 1.0f}。

3、实验结果与分析：#

• 场景中包含棋盘格地板、茶壶、立方体和球体。
• 开启深度测试后，物体的空间前后遮挡关系正确。
• 通过键盘“W/A/S/D”键可以移动蓝色点光源的位置，改变光照和高光在物体表面的分布，投射出的阴影效果表现自然。

运行结果截图：#

三、心得体会：#

1. 深度测试的作用：深度测试（Z-buffer）是解决三维遮挡消除的基石。在没有开启深度测试时，后绘制 的 物体会强行覆盖先绘制的物体。开启深度测试后，GPU 会比较每个像素的深度值，仅保留距离视点最近的像素，从而得到正确的遮挡关系。
2. 纹理映射基本方法：本实验为了在地板上绘制棋盘格，手动生成了离散的黑白相间像素数据作为纹理，配合 GL_REPEAT 包装模式，成功映射出铺满地面的格状纹理。
3. 多光源配置与高光反射：通过配置双光源（主光源加发光小球点光源）以及材质的高光反射参数，使茶壶和球体的金属质感更加真实。移动点光源时物体表面高光点的偏移，提升了场景的动态感。