基于opengl的3D天体运动模型设计方案

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1、基于opengl的3D天体运动模型设计方案学 生： _？_ 学 号： * 指导老师： _？_ 一、背景简介1.1设计概述本3D建模设计运用Win32程序设计的基本原理，基于OpenGL接口函数，以Microsoft Visual Studio 2008为开发工具，以C+语言为开发语言，设计了一个星空背景下的太阳地球月球公转自转运动模型，模拟了太阳的光照效果，并实现了可以加速和减速地球和月球的自转、公转速度，而且还可以调整视图的远近和方位，方便各方面的观察。1.2 OpenGL的基本特点OpenGL即开放图形库（Open Graphics Library），是一个三维的计算机图形和模型库。Ope

2、nGL作为一个性能优越的图形应用程序设计接口，适用于广泛的计算机环境。从个人计算机到工作站和超级计算机，OpenGL都能实现高性能的三维图形功能。OpenGL是一个与硬件图形发生器的软件接口，它包括了100多个图形操作函数，开发者可以利用这些函数来构造景物模型、进行三维图形交互软件的开发。正如上一章所述，OpenGL是一个高性能的图形开发软件包。OpenGL支持网络，在网络系统中用户可以在不同的图形终端上运行程序显示图形。OpenGL作为一个与硬件独立的图形接口，它不提供与硬件密切相关的设备操作函数，同时，它也不提供描述类似于飞机、汽车、分子形状等复杂形体的图形操作函数。用户必须从点、线、面等

3、最基本的图形单元开始构造自己的三维模型。当然，像OpenInventor那样更高一级的基于OpenGL的三维图形建模开发软件包将提供方便的工具。因此OpenGL的图形操作函数十分基本、灵活。它具有如下特点。（1） 图形质量好、性能高。无论是三维动画、CAD，还是视觉模拟、可视化计算等，都利用了OpenGL高图形质量、高性能的特点。这个特点使得程序开发者在广播、CAD/CAM/CAE、娱乐、医学图像和虚拟现实等领域中创造和显示出难以想象的2D和3D图形。（2） 行业标准。OpenGL ARB作为独立的联合委员会，制定规范文档(Specification)。随着业内厂商的支持，OpenGL成为唯一

4、真正开放的、独立于供应商的、跨平台的标准。（3） 稳定性。OpenGL能够在各种平台上执行，而且OpenGL高版本兼容低版本，保证了已经开发的应用程序不会失效。（4） 可移植性和可靠性。利用OpenGL技术开发的应用图形软件与硬件无关，只要硬件支持OpenGL API标准就行了，也就是说，OpenGL应用程序可以运行在支持OpenGL API标准的任何硬件上。但是，硬件是不断变化的，OpenGL如何保持可移植性呢？OpenGL扩展（OpenGL Extension）正是为这一目的而设计的。厂商只要提供OpenGL扩展，就可以轻松实现硬件特有的功能。利用OpenGL扩展，OpenGL实现者（Op

5、enGL Implementer）也可以添加新的处理算法。（5） 可扩展性。OpenGL是低级的图形API，它具有充分的可扩展性。许多OpenGL开发商在OpenGL核心技术规范的基础上，增强了许多图形绘制功能，从而使OpenGL能紧跟最新硬件发展和计算机图形绘制算法的发展。对于硬件特性的升级可以体现在OpenGL扩展机制以及OpenGL API中，一个成功的OpenGL扩展会被融入在未来的OpenGL版本之中。通过这种方法，程序开发者和硬件厂商能够在正常的产品周期中组合出新的产品。（6） 可适应性。基于OpenGL API的图形应用程序可以运行在许多系统上，包括各种用户电子设备、PC、工作站

6、以及超级计算机。由此，OpenGL应用程序可以适应开发人员选择的各种目标平台。（7） 易用性。OpenGL具有良好的结构、直观的设计和逻辑命令。与其他图形程序包相比，OpenGL只有很少的代码，因此执行速度快。另外，OpenGL封装了有关基本硬件的信息，使得开发者无须针对具体的硬件特征进行设计。二、概要设计2.1 程序流程图1 程序运行流程图本节将对程序具体的实现进行说明。开始之前要引用程序要求的头文件:#include / Windows的头文件#include / OpenGL32库的头文件#include / Glu32库的头文件#include / Glaux库的头文件#include

7、 / 标准输入/输出库的头文件#include / math函数库要加入程序要求的库到链接器中:#pragma comment (lib, opengl32.lib)/ 链接时查找OpenGL32.lib#pragma comment (lib, glu32.lib)/ 链接时查找glu32.lib#pragma comment (lib, glaux.lib)/ 链接时查找glaux.lib2.1.1 注册窗口RegisterWindowClass(Application* application)（1）定义窗口类：WNDCLASSEX windowClass;/ 窗口类；（2）清空内存：Z

8、eroMemory (&windowClass, sizeof(WNDCLASSEX);/ 清空内存；（3）设置窗口类的属性；窗口类的大小：windowClass.cbSize= sizeof(WNDCLASSEX);/ 窗口类的大小；重绘 ：windowClass.style= CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_OWNDC;/ 在窗口移动,改变大小的时候重绘；绑定处理消息的函数：windowClass.lpfnWndProc= (WNDPROC)(WindowProc);/ 用WindowProc函数处理消息；设置实例：windowClass.hInstance= a

9、pplication-hInstance;/ 设置实例画刷颜色：windowClass.hbrBackground= (HBRUSH)(COLOR_APPWORKSPACE);/ 类背景的画刷颜色；鼠标指针：windowClass.hCursor= LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);/ 载入鼠标指针；设置类名：windowClass.lpszClassName= application-className;/ 设置应用程序的类名；（4）如果注册失败，返回失败消息。2.1.2 创建窗口CreateWindowGL(GL_Window* window)（1）设置窗口样式：DW

10、ORD windowStyle = WS_OVERLAPPEDWINDOW;设置窗口扩展样式：DWORD windowExtendedStyle = WS_EX_APPWINDOW;（2）设置像素格式描述符： PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd；（3）定义窗口大小：RECT windowRect = 0, 0, window-init.width, window-init.height;（4）保存像素格式：GLuint PixelFormat;（5）开始创建 OpenGL 窗口，取得程序类名，传入应用程序实例：window-hWnd = CreateWindowEx(windo

11、wExtendedStyle,/ 窗口扩展样式window-init.application-className,/ 应用程序类名window-init.title,/ 窗口标题windowStyle,/ 窗口样式0, 0,/ 窗口的XY坐标位置windowRect.right - windowRect.left,/ 窗口宽度windowRect.bottom - windowRect.top,/ 窗口高度HWND_DESKTOP,/ 父窗口为桌面0,/ 无菜单window-init.application-hInstance,/ 传入应用程序实例window);（6）如果创建失败，返回失败消

12、息；/以下代码略 （7）如果未得到设备描述符，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；（8）如果选择兼容的像素格式失败，释放设备描述符，设备描述符清零，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；（9）如果未获得绘制描述表，释放设备描述表，设备描述表清零，销毁窗口，句柄清零，返回失败消息；（10）显示窗口，清空键盘缓冲区。2.1.3 初始化OpenGL Initialize(GL_Window* window, Keys* keys)（1）设置全局变量；（2）建立时钟（3）初始化绘制场景清屏：glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f); / 清屏为黑色设置深度缓存：glClear

13、Depth(1.0f);深度测试：glDepthFunc(GL_LEQUAL);/ 选择深度测试方式glEnable(GL_DEPTH_TEST);/ 开启深度测试阴暗处理：glShadeModel(GL_SMOOTH);/ 阴暗处理采用平滑方式透视计算：glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST);/ 最精细的透视计算2D纹理：LoadTextureGL()/ 载入纹理glEnable(GL_TEXTURE_2D);/ 开启D纹理映射设置环境光：glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, LightAmbient);

14、设置漫反射光：glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, LightDiffuse);建立一个曲面对象指针：quadric = gluNewQuadric();建立纹理坐标：gluQuadricTexture(quadric, GLU_TRUE);用面填充：gluQuadricDrawStyle(quadric, GLU_FILL);打开光照：glEnable(GL_LIGHTING);开光源1：glEnable(GL_LIGHT1);设置雾的各种参数：glFogi(GL_FOG_MODE, GL_LINEAR);/ 雾的类型glFogfv(GL_FOG_COLOR, f

15、ogColor); / 雾的颜色glFogf(GL_FOG_DENSITY, 0.6f); / 雾的浓度glHint(GL_FOG_HINT, GL_DONT_CARE); / 雾的渲染方式glFogf(GL_FOG_START, 1.0f); / 雾的开始深度glFogf(GL_FOG_END, 30.0f); / 雾的终止深度glEnable(GL_FOG); / 启用雾用于显示提示文字：BuildFontGL();2.1.4 处理事件WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)（1）取得窗口信息：GL_Win

16、dow* window = (GL_Window*)(GetWindowLong(hWnd, GWL_USERDATA);（2）取得Window的消息并做相应处理：switch (uMsg)/ 取得Window的消息case default:break;return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);/ 将本程序不处理的消息传给DefWindowProc （3）截取系统命令：case WM_SYSCOMMAND:（4）创建窗口：case WM_CREATE:（5）TIMER事件：case WM_TIMER:（6）PAINT消息处理,在此处绘图：

17、case WM_PAINT:（7）关闭窗口：case WM_CLOSE:（8）窗口大小变化：case WM_SIZE:（9）按键按下时更新键盘缓冲：case WM_KEYDOWN:（10）按键松开时更新键盘缓冲：case WM_KEYUP:（11）开关全屏模式：case WM_TOGGLEFULLSCREEN:（12）将本程序不处理的消息传给 DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);2.1.5 扫尾处理 Deinitialize(void)（1）释放时钟KillTimer(OGL_window-hWnd, TIMER1);（2）删除字体KillFon

18、tGL();2.1.6 销毁窗口，注销窗口类 DestroyWindowGL(&window);/ 销毁窗口UnregisterClass(application.className, application.hInstance);/ 注销窗口类2.2 关键算法2.2.1 绘制模型 DrawSceneGL(void)void DrawSceneGL(void)/ 绘制场景glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);/ 清除颜色和深度缓存glLoadIdentity();/ 重置当前矩阵/ 设置观察视点rad =(float)(PI*s_

19、angle / 180.0f);centerx = (float)(eyex + 100*cos(rad); centerz = (float)(eyez + 100*sin(rad);gluLookAt(eyex, eyey, eyez,centerx, centery, centerz,upx, upy, upz);/ 在此处添加代码进行绘制:/ 在屏幕上显示字体glPushMatrix();glTranslatef(-2.0, 0.0, -4.0);/ 移入屏幕.0fglDisable(GL_LIGHTING);/ 禁用光照glDisable(GL_TEXTURE_2D);/ 禁用纹理g

20、lColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);glRasterPos2f(0.7f, 1.7f); glPrint(3D Earth And Moon Model-Press Up/Down/Left/Right Button to move the graph);glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f);glRasterPos2f(0.7f, 1.5f);glPrint(space - speed up);glRasterPos2f(0.7f, 1.3f);glPrint(Delete - Backward shifting);glColor3f(1.0f, 1.0f,

21、 1.0f);glRasterPos2f(0.7f, 1.1f); glPrint(3D Earth And Moon Model-Press F1 button to toggle Full Screen, Esc to exit);glEnable(GL_LIGHTING);/ 启用光照glEnable(GL_TEXTURE_2D);/ 启用纹理glPopMatrix();glTranslatef(0.0f, 0.0f, -5.0f);/ 将坐标系移入屏幕.0fglRotatef(10, 1.0f ,0.0f, 0.0f);/ 将坐标系绕x轴旋转度glEnable(GL_LIGHT0);/

22、 打开光源/*绘制星空背景*/glPushMatrix ();/ 当前模型矩阵入栈glTranslatef(-10.0f, 3.0f, 0.0f);glRotatef (angle_Z, 0.0f, 0.0f, 1.0f);glEnable(GL_TEXTURE_2D);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);/ 绑定星空纹理glBegin(GL_QUADS); glNormal3f( 0.0f, 0.0f, 1.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-20.0f, -20.0f, -5.0f);glTexCoo

23、rd2f(6.0f, 0.0f); glVertex3f( 20.0f, -20.0f, -5.0f);glTexCoord2f(6.0f, 6.0f); glVertex3f( 20.0f, 20.0f, -5.0f);glTexCoord2f(0.0f, 6.0f); glVertex3f(-20.0f, 20.0f, -5.0f); glEnd();glPopMatrix ();/ 当前模型矩阵出栈/*绘制太阳*/glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);/ 绑定纹理glEnable(GL_BLEND);/ 开启混合glDisable(GL_DEPTH

24、_TEST);/ 关闭深度测试/绘制太阳光晕glDisable(GL_LIGHTING);/ 关闭光照glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE);/ 基于源象素alpha通道值的半透明混合函数glColor4f(1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.4f);/ 设置RGBA值glBegin(GL_QUADS);glNormal3f( 0.0f, 0.0f, 1.0f);glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-1.0f,-1.0f, 0.0f);glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( 1.0f,-1.

25、0f, 0.0f);glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( 1.0f, 1.0f, 0.0f);glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f);glEnd();glDisable(GL_BLEND);/ 关闭混合glEnable(GL_DEPTH_TEST);glDisable(GL_TEXTURE_2D);/ 关闭纹理glEnable(GL_LIGHTING);/ 开启光照glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, LightPosition);/ 设置光源的当前位置g

26、luSphere(quadric, 0.3f, 32, 32);/ 绘制太阳球体/*绘制地球*/glDisable(GL_LIGHT0);glRotatef(ep_Angle, 0.0f, 1.0f, 0.0f);/ 将坐标系绕Y轴旋转ep_Angle角度 控制地球公转glRotatef(-90.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);/ 将坐标系绕X轴旋转-90度glEnable(GL_TEXTURE_2D );/ 开启纹理glTranslatef(2.0f, 0.0f, 0.0f);/ 将坐标系右移.0fglBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture0);/

27、绑定纹理glPushMatrix ();/ 当前模型视图矩阵入栈glRotatef(es_Angle, 0.0f, 0.0f, 1.0f);/ 将坐标系绕Z轴旋转es_Angle角度 控制地球自转gluSphere(quadric, 0.2f, 32, 32);/ 地球球体glPopMatrix ();/ 当前模型视图矩阵出栈/*绘制月亮*/glRotatef(mp_Angle, 0.0f, 0.0f, 1.0f);/ 将坐标系绕Z轴旋转mp_Angle角度控制月亮公转glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture3);/ 绑定纹理glTranslatef(0.5f,

28、 0.0f, 0.0f);/ 右移.5fglRotatef(ms_Angle, 0.0f, 0.0f, 1.0f);/ 将坐标系绕Z轴旋转ms_Angle角度控制月亮自转gluSphere(quadric, 0.05, 32, 32);/ 绘制月亮星体/ 变量更新控制模型活动ep_Angle += ep_velocity;es_Angle += es_velocity;mp_Angle += mp_velocity;ms_Angle += ms_velocity;angle_Z += 0.1f;glFlush();/ 刷新GL命令队列;2.2.2 切换视角 Update(void)/ gluL

29、ookAt函数参数GLfloat eyex = 1.0f;GLfloat eyey = 0.0f;GLfloat eyez = 1.0f;GLfloat centerx = 0.0f;GLfloat centery = 0.0f;GLfloat centerz = 0.0f; GLfloat s_angle = -90.0f; float PI = 3.14159f;float speed = 1.0f;/ 旋转请求if (OGL_keys-keyDownVK_UP = TRUE) / 判断UP是否按下rad =(float)(PI * s_angle / 180.0f);eyex += (f

30、loat)cos(rad) * speed;eyez += (float)sin(rad) * speed;if (OGL_keys-keyDownVK_DOWN = TRUE) / 判断DOWN是否按下rad =(float)(PI * s_angle / 180.0f); eyex -= (float)cos(rad) * speed;eyez -= (float)sin(rad) * speed;if (OGL_keys-keyDownVK_LEFT = TRUE) / 判断LEFT是否按下s_angle -= 2.0; if (OGL_keys-keyDownVK_RIGHT = TR

31、UE) / 判断RIGHT是否按下s_angle += 2.0; / 设置观察视点rad =(float)(PI*s_angle / 180.0f);centerx = (float)(eyex + 100*cos(rad); centerz = (float)(eyez + 100*sin(rad);gluLookAt(eyex, eyey, eyez,centerx, centery, centerz,upx, upy, upz); 2.2.3 控制加减速if (OGL_keys-keyDownVK_DELETE = TRUE) / 判断DELETE是否按下/减速ep_Angle -= 0

32、.2f;es_Angle -= 6.0f; mp_Angle -= 2.4f;ms_Angle -= 0.2f;if (OGL_keys-keyDownVK_SPACE = TRUE) / 判断SPACE是否按下/加速ep_Angle += 0.2f;es_Angle += 6.0f; mp_Angle += 2.4f; ms_Angle += 0.2f; 2.2.4 开启/关闭全屏if (OGL_keys-keyDownVK_F1 = TRUE)/ 判断F1是否按下PostMessage(OGL_window-hWnd, WM_TOGGLEFULLSCREEN, 0, 0);/ 在全屏/窗口

33、模式间切换三、使用方法3.1 打开程序 双击“Earth and Moon.exe”，即打开程序窗口：图2 程序窗口3.2 程序相关操作如程序窗口中的文字提示：3D Earth And Moon Model-Press Up/Down/Left/Right Button to move the graphspace - speed upDelete - Backward shifting3D Earth And Moon Model-Press F1 button to toggle Full Screen, Esc to exit按提示可以进行相关的操作，有效的按键包括上下左右方向键，Esc、空格、delete以及F1按键，通过按下相应的按键可以完成对应的操作。如图所示是程序运行的某个状态：3.3 开启/关闭全屏显示 按F1键开启/关闭全屏显示。3.4 退出程序 按ESC键退出程序。