OpenGL植物建模（附完整代码、注释清晰、分步讲解）

2024-07-12 14:27| 来源: 网络整理| 查看: 265

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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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 //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

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