高级图形学期末作业
一、实验要求
要求实现机器人带光照的绘制和运动变换。通过 glPushMatrix()函数和
glPopMatrix()函数绘制出机器人层次结构模型和几何变换，要求实现机器人
手、脚、头、肩膀的旋转等几何变换，能够实现机器人走路的效果。同时机器
人应打上光照增强效果。
二、实验原理
用 windows api 创建窗口，使用 OpenGL 绘制球体，方形构成机器人身
体的个个部分；使用键盘的按键控制机器人手、脚、头以及肩膀的旋转和机器
人的行走；设置视点视角，通过改变视角从不同的角度观测；使用不同的光照
参数；增加纹理映射效果。
2.1 3D 管道中的几何变换o
旋转矩阵行向量为该矩阵坐标系在原坐标系上的坐标，列向量为原坐标系
的向量在本旋转矩阵坐标系上的坐标。旋转是欧氏变换；旋转、放缩是线性变
换；旋转、放缩、平移是仿射变换；旋转、放缩、平移、透视投影是射影变换。
o
线性变换在四维空间,仿射变换在三维空间,射影必须采用摄像坐标系,仿射
变换是到自身的一类变换。透视投影，就是以中心投影为依据所作的透视图象。
o正交投影将物体垂直的投影在屏幕上，在正交投影当中，物体的大小不会随着
视口屏幕等参数的改变而变化。在正交投影中，三维物体的坐标沿平行线投影
到观察平面上，它保持物体的有关比例不变。
世界坐标系描述了物体在空间的位置，角度在世界坐标系中可以设定物体
的位置，决定物体以什么方式进行放置o；局部坐标系描述了物体的形状，大小，
样式等，可以在这一坐标系中设定物体的形状o。当我们在虚拟场景中放置物体
时，必须将其从局部坐标系转换到世界坐标系。局部到世界的坐标系转换可以
看做向量的转化局部坐标系到世界坐标系：旋转，放缩，平移；世界坐标系到
观测坐标系：平移，旋转。
2.2 光照模型
环境光是模拟 2 次、3 次以及多次光反射形成的，是来自于周围环境没有
固定方向的光，在物体和周围环境之间多次反射后，最终达到平衡时的一种光，
又称为背景光.环境光没有空间和方向上的特征，它在任何方向上的分布都相同，
在所有方向上和所有物体表面上投射的环境光的量都是恒定不变的。
环境光主要是通过背景光影与主体形成某种映衬和对比，达到突出主体的
目的,还有表现特定环境、时间或造成某种特殊气氛和影调等作用。
全局光照模型中射线跟踪算法的基本原理:由光源发出的光到达景物表面后，
产生反射和折射，简单光照明模型和简单光透射模型模拟了这两种现象。o在简
单光照明模型中，反射被分为理想漫反射和镜面反射光，在简单光透射模型中，
把透射光分为理想漫透射光和规则透射光。o由光源发出的光称为直接光，景物
对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射，相对地，把景物表面间对光
的反射和折射称为间接光，间接反射、间接折射，这些是光线在景物之间的传
播方式，是光线跟踪算法的基础。
2.3 纹理映射
对象表面的纹理可以理解为覆盖在对象表面的图像，图像是由一个个的像
素构成的二维数组。像这样存储有图像数据的二维数组可以通过两种方式生成：
（1）位图纹理（Bitmap Texture），通过电脑的数字照片、图片等生成二维
的数组数据；（2）过程纹理（Procedural texture）,通过数学公式来生成一
个二维的数组数据。一个二维的数组可以称之为纹理，纹理上的像素点都有一
个坐标，称之为纹理坐标，与纹理有关的坐标轴常用的字母是 s 和 t，水平方向
指的是 s 方向，垂直方向指的是 t，s 和 t 限制在[0,1]范围以内。内部的纹理坐
标的计算使用线性插值的方法将整个纹理映射到三维空间中。
三、代码设计
整个实验分为如下几个步骤：1、初始配置；2、画出机器人的整个雏形；
3、实现机器人身体部位的转动；4、完成机器人的行走操作。
3.1 初始配置
实验要求需要有光照效果，再此基础之上再加上了纹理效果。
OpenGL 在处理光照时采用这样一种近似：把光照系统分为三部分，分别是
光源、材质和光照环境。本程序仅开启一个光源，通过 glLightfv（光源编号，
光 源 特 性 ， 参 数 数 据 ） 来 设 置 光 源 ， 主 要 设 置 了 光 源 的 环 境 光 属 性
GL_AMBIENT 值 为 （ 0,0,0,1 ） ， 光 源 的 散 射 光 属 性 GL_DIFFUSE 值 为
（ 1,1,1,1 ） 以 及 光 源 位 置 GL_POSITION （ 0.0, 5.0, 10.0, 0.0 ） 。 程 序 通 过
glLightModelfv 函数设置全局环境光参数 GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT 值为
（0.4, 0.4, 0.4, 1.0 ），并且修改无限远的观察点为局部观察点，最后使用
glEnable(GL_LIGHTING)开启光源。
处理纹理方面，首先自定义纹理数据结构体，成员包含纹理的高度、宽度、
ID 以及实际纹理数据，如下所示：
typedef struct{
int width; //纹理宽度
int height; //纹理高度
unsigned int texID; //纹理对象 ID
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