7.2 简单机器人构建#

1. 任务描述#

本关任务#

1. 熟悉视点观察函数的设置和使用。
2. 熟悉 3D 图形变换的设置和使用。
3. 进一步熟悉基本 3D 图元的绘制。

预期输出#

具体要求#

1. 背景色为黑色，用 glClearColor 来完成。
2. 用 glutSolidCube(GLdouble size) 绘制立方体实体模型，要求尺寸大小为 0.5。
3. 绘制脖子，将立方实体设为白色 glColor3f(1.0, 1.0, 1.0)，沿 Y 轴正方向平移 1.4f，调用 glScalef() 缩放函数参数为 glScalef(0.5, 0.7, 0.5)。
4. 绘制头部，将立方实体设为黄色 glColor3f(1.0, 0.5, 0.2)，沿 Y 轴正方向平移 1.9f，调用 glScalef() 缩放函数参数为 glScalef(1.5, 1.5, 0.5)。
5. 绘制身体，将立方实体设为红色 glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)，沿 Y 轴正方向平移 0.25f，调用 glScalef() 函数将立方实体 X 轴方向变为原来的 4 倍，Y 轴方向变为原来的 4 倍，Z 轴方向变为原来的 0.5 倍。
6. 绘制两个手臂，将立方实体设为 glColor3f(1.0, 1.0, 0.0)；将左手臂移动坐标为 glTranslatef(-1.25f, 0.5f, 0.0f)，右手臂移动坐标为 glTranslatef(1.25f, 0.5f, 0.0f)，调用 glScalef() 函数将立方体 Y 轴方向变为原来的 3 倍，Z 轴方向变为原来的 0.5 倍。
7. 绘制两个机器人的腿部，将立方实体设为蓝色 glColor3f(0.5, 0.5, 1.5)，将左腿移动坐标为 glTranslatef(-0.5f, -1.5f, 0.0f)，右腿移动坐标为 glTranslatef(0.5f, -1.5f, 0.0f)，调用 glScalef() 函数将立方体 Y 轴方向变为原来的 3 倍，Z 轴方向变为原来的 0.5 倍。
8. 绘制机器人的双手，用圆球绘制。球体的半径为 0.25，球心在原点，经线和纬线数目为 50。将球体设置为 glColor3f(1.0, 0.5, 0.2)。将小球分别移动 glTranslatef(-1.25f, -0.5f, 0.0f) 和 glTranslatef(1.25f, -0.5f, 0.0f) 作为左手和右手。将两个小球进行放缩 glScalef(1, 1.5, 1)，变为椭圆。
9. 视点改为 (2.0, 2.0, 5.0)，观察中心改为 (0.0, 0.0, 0.0)，向上矢量改为 (0.0, 1.0, 0.0)。

相关知识#

1. 视图变换#

也称观察变换，指从不同的位置去观察模型。

在载入单位矩阵之后，使用 gluLookAt 函数指定视图变换。如果程序没有调用 gluLookAt()，那么照相机会设定为一个默认的位置和方向，即照相机位于原点，指向 z 轴负方向，朝上向量为 (0, 1, 0)。

gluLookAt(0, 0, 5, 0, 0, 0, 0, 1, 0) 函数指把照相机位置放在 (0, 0, 5) 处，镜头瞄准 (0, 0, 0) 点，朝上方向为 (0, 1, 0)。

2. glScalef() 函数#

glScalef(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z)：参数 x, y, z 分别为模型在 x, y, z 轴方向的缩放比。

3. 小球绘制函数#

小球绘制函数，其功能为绘制一个半径为 radius 的线框或实心小球，小球的中心点位于原点，slices 为小球的经线数目，stacks 为小球的纬线数目。

gluSphere(GLUquadricObj *obj, GLdouble radius, GLint slices, GLint stacks);

用法实例：

GLUquadricObj *sphere;     // 定义二次曲面对象
sphere = gluNewQuadric();  // 生成二次曲面对象
gluSphere(sphere, 8, 50, 50); // 半径为 8，球心在原点，经线和纬线数目为 50 的小球

4. glPushMatrix() 和 glPopMatrix() 函数#

每进行一个矩阵操作时，需要先保存这个矩阵，调用 glPushMatrix() 函数，把当前矩阵压入堆栈。当需要恢复最近一次的保存时，调用 glPopMatrix() 函数，它相当于从堆栈栈顶弹出一个矩阵为当前矩阵。

---

开始你的任务吧，祝你成功！

2. 我的回答#

文件 step2/test2.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 = 500, winHeight =500 ; 	      //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
    /********** Begin ********/
    // (9) 重新设置视点。因为外部已经调用过一次gluLookAt，我们需要用glLoadIdentity()覆盖它
    glLoadIdentity();
    gluLookAt(2.0, 2.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

    // (3) 绘制脖子
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);            // 白色
    glTranslatef(0.0f, 1.4f, 0.0f);         // 沿Y轴正方向平移1.4f
    glScalef(0.5f, 0.7f, 0.5f);             // 缩放
    glutSolidCube(0.5);                     // 绘制立方体，尺寸0.5
    glPopMatrix();

    // (4) 绘制头部
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 0.5f, 0.2f);            // 黄色/橘色
    glTranslatef(0.0f, 1.9f, 0.0f);         // 沿Y轴正方向平移1.9f
    glScalef(1.5f, 1.5f, 0.5f);             // 缩放
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();

    // (5) 绘制身体
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);            // 红色
    glTranslatef(0.0f, 0.25f, 0.0f);        // 沿Y轴正方向平移0.25f
    glScalef(4.0f, 4.0f, 0.5f);             // 缩放
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();

    // (6) 绘制两个手臂
    // 左手臂
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);            // 黄色
    glTranslatef(-1.25f, 0.5f, 0.0f);       // 左移
    glScalef(1.0f, 3.0f, 0.5f);             // Y轴3倍，Z轴0.5倍 (X保持1倍)
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();
    
    // 右手臂
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);            // 黄色
    glTranslatef(1.25f, 0.5f, 0.0f);        // 右移
    glScalef(1.0f, 3.0f, 0.5f);             // Y轴3倍，Z轴0.5倍
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();

    // (7) 绘制机器人的腿部
    // 左腿
    glPushMatrix();
    glColor3f(0.5f, 0.5f, 1.5f);            // 蓝色 (按照要求填入参数)
    glTranslatef(-0.5f, -1.5f, 0.0f);       // 左下平移
    glScalef(1.0f, 3.0f, 0.5f);             // Y轴3倍，Z轴0.5倍
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();

    // 右腿
    glPushMatrix();
    glColor3f(0.5f, 0.5f, 1.5f);            // 蓝色
    glTranslatef(0.5f, -1.5f, 0.0f);        // 右下平移
    glScalef(1.0f, 3.0f, 0.5f);             // Y轴3倍，Z轴0.5倍
    glutSolidCube(0.5);
    glPopMatrix();

    // (8) 绘制机器人的双手 (用圆球绘制)
    GLUquadricObj *sphere = gluNewQuadric(); // 生成二次曲面对象用于画球
    
    // 左手
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 0.5f, 0.2f);
    glTranslatef(-1.25f, -0.5f, 0.0f);      // 平移到左手臂下方
    glScalef(1.0f, 1.5f, 1.0f);             // 缩放变为椭圆
    gluSphere(sphere, 0.25, 50, 50);        // 半径0.25，经纬线50
    glPopMatrix();

    // 右手
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0f, 0.5f, 0.2f);
    glTranslatef(1.25f, -0.5f, 0.0f);       // 平移到右手臂下方
    glScalef(1.0f, 1.5f, 1.0f);             // 缩放变为椭圆
    gluSphere(sphere, 0.25, 50, 50);
    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( 500 , 500 );        //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(500 * 500 * 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(500, 500, CV_8UC3);
    cv::split(img, imgPlanes);

    for (int i = 0; i < 500; 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 < 500; j++) {
            int k = 3 * (i * 500 + 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_step2/test.jpg", img);
    return 0;
}

---