基于OpenGL框架实现的日地月运动模型动画【100013047】

# 1 论述 （1）你选修计算机图形学课程，想得到的是什么知识？现在课程结束，对于所得的知识是否满意？如果不满意，你准备如何寻找自己需要的知识。 答： ① 我希望通过选修计算机图形学课程，学习计算机如何对图形进行处理、生成和显示的，了解在计算机系统中是怎么通过CPU和GPU处理得到图形并最终展现在显示器上的。 ② 我对于图形从几何阶段到光栅化阶段再最终展现在显示器上的过程有了一定的了解，同时学习了OpenGL的编程技术来绘制自己的图形，对所学的知识较为满意。 ③ 这门课作为我在计算机图形学领域的入门启蒙课，使我学到了很多图形学相关的底层和应用层知识，今后如果需要继续涉及图形学项目的话，应该会通过诸如LearnOpenGL-CN这样的网站进行高级图形处理技术的学习。 （2）你对计算机图形学课程中的哪一个部分的内容最感兴趣，请叙述一下，并谈谈你现在的认识。 答：我对图形的变换这部分内容最感兴趣。图形的平移、旋转、缩放、错切等操作要对图形的所有顶点计算它们变换后的新坐标，如果逐个通过模拟的方法去计算显然是不实际的，而且多个变换的叠加也非常复杂。在计算机图形学的课程中巧妙地使用线性代数中的矩阵来做变换，平移、旋转、缩放、错切这些基本操作都可以抽象成一个矩阵，通过矩阵的乘法来叠加多个变换，最后只需要计算矩阵乘法就可以将多个变换转换为一个变换矩阵。我还学习到矩阵乘法的运算顺序和变换作用到图形的顺序是相反的，在做图形变换的时候需要考虑到变换施加的顺序，以及变换前后参数的取值范围的变化。在实际的OpenGL程序中，引用一些数学库来方便矩阵运算（课程实验用的是vmath.h），虽然把一些基本变换做了抽象，但还是需要线性代数的一些底层知识和对矩阵的认识才能正确使用。 （3）你对计算机图形学课程的内容，教学方法有什么看法和建议。 答：希望除了最后的大作业之外还可以增加一些去机房的实验课，在课上提出问题和解决问题的效率或许会高一些，因为很多人（比如我）在截止日期之前都不太有动力做实验。 # 2 实验（OpenGL） ## **2.1** **实验内容** 利用OpenGL框架，设计一个日地月运动模型动画。 （1）运动关系正确，相对速度合理，且地球绕太阳，月亮绕地球的轨道不能在一个平面内。 （2）地球绕太阳，月亮绕地球可以使用简单圆或者椭圆轨道。 （3）对球体纹理的处理，至少地球应该有纹理贴图。 （4）增加光照处理，光源设在太阳上面。 （5）为了提高太阳的显示效果，可以在侧后增加一个专门照射太阳的灯。 ## **2.2** **实验方法和过程** （1）实验平台搭建 实验中引用与OpenGL相关的库有glfw、glad、vmath和stb_image，其中glfw库需要从官网下载源代码后使用CMake工具编译，glad库可在官网进行在线配置后下载得到，vmath库和stb_image库使用的是老师提供的版本。 搭建过程按照老师提供的详细手册逐步进行，不同的是使用了Visual Studio 2019版本，需要在项目设置中将x86和x64生成方式的引用项目统一按照手册中内容进行修改，否则会报“无法解析的外部符号”错误。  图1 工程目录结构 （2）总体思路 要实现日地月系统，首先要绘制球体。因为太阳、地球和月亮都是球体，所以可以复用一套顶点，之后只需要使用缩放变换来调整大小即可。 然后可以使用旋转变换矩阵、平移变换矩阵的叠加变换来实现自转、公转。 轨道交角的调节可以修改旋转变换矩阵的参数来修改旋转轴的方向。 椭圆轨道可以通过数学公式计算出随角度变化的顶点位置信息，然后直接使用平移变换将球体平移到相应位置即可。 纹理可以将球体的经纬度映射到2D纹理顶点，然后创建纹理对象并使用stb_image库加载图片纹理文件，再修改着色器代码进行渲染即可。 （3）代码框架 整个框架在之前的课程作业基础上修改而来。先是搭建了一个显示黑框的框架，然后在此基础上绘制了一个三个顶点分别为三原色的三角形，且可以读取键盘按键进行控制。 最后的实验保持main函数流程基本不变，主要修改initial函数和Draw函数来完成实验。 （4）绘制球体 这部分参考老师给的参考代码中的Sphere.cpp，先将球分为x、y坐标上的X_SEGMENTS、Y_SEGMENTS段，然后通过纬度角和经度角来计算得到球面上每一点的x，y，z三维坐标，将坐标点数值压入vector容器中。 我把这部分代码封装为generateBallVerticles函数如下： ```cpp void generateBallVerticles(std::vector<float>& sphereVertices) { for (int y = 0; y <= Y_SEGMENTS; y++) { for (int x = 0; x <= X_SEGMENTS; x++) { float xSegment = (float)x / (float)X_SEGMENTS; float ySegment = (float)y / (float)Y_SEGMENTS; float xPos = std::cos(xSegment * Radio * PI) * std::sin(ySegment * PI); float yPos = std::cos(ySegment * PI); float zPos = std::sin(xSegment * Radio * PI) * std::sin(ySegment * PI); // 球的顶点 sphereVertices.push_back(xPos); sphereVertices.push_back(yPos); sphereVertices.push_back(zPos); } } } ``` 得到球的顶点坐标后，再生成球的顶点索引，用来将数据绑定至缓冲。我把这部分代码封装为generateBallVerticles函数如下： ```cpp void generateBallIndices(std::vector<int>& sphereIndices) { for (int i = 0; i < Y_SEGMENTS; i++) { for (int j = 0; j < X_SEGMENTS; j++) { sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j); sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j); sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1); sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j); sphereIndices.push_back((i + 1) * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1); sphereIndices.push_back(i * (X_SEGMENTS + 1) + j + 1); } } } ``` 调用glGenVertexArrays、glGenBuffers、glBindVertexArray、glBindBuffer等函数生成并绑定球体的VAO、VBO、EBO，对于VBO和EBO再调用glBufferData函数将顶点数据分别绑定至GL_ARRAY_BUFFER和GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER缓冲中。 然后使用glVertexAttribPointer和glEnableVertexAttribArray函数设置顶点属性指针。这里需要注意glVertexAttribPointer函数的6个参数，第一个是属性位置值location（这里会在着色器代码中用到），第二个是每个顶点需要读取的数值个数，第三个默认填GL_FLOAT，第四个默认填GL_FALSE，第五个是两个顶点数据之间的偏移量offset，第六个是从数组中读取顶点数据的开始位置。最后glEnableVertexAttribArray的参数注意和上面的属性位置值location保持一致。 着色器程序暂时复用示例代码，其他框架代码保持不变。 （5）处理变换 这里通过变换来绘制太阳、地球和月亮，实现他们的自转和公转。 ① 创建观察矩阵、投影矩阵 观察矩阵可以使用vmath库中的vmath::lookat函数来实现： ```cpp view = vmath::lookat(vmath::vec3(0.0, 3.0, 0.0), vmath::vec3(0.0, 0.0, -10.0), vmath::vec3(0.0, 1.0, 0.0)); ``` 有三个参数，其中的第一个参数是观察者（镜头）的坐标位置；第二个参数是被观察者（日地月系统）的坐标位置；第三个参数是观察者头顶的朝向方向。我这里设置为观察者头顶向上，在(0,0,3)的位置俯视位于(0,0,-10)的日地月系统。 投影矩阵可以使用vmath库中的