计算机图形学：实验二 三维模型读取与控制

一、程序功能设计

通过键盘和鼠标结合实现了对三维牛模型的变换控制，可以灵活调整旋转的轴、方向、速度以及暂停或复位三维牛模型状态。

动画启动和暂停：

  1. 按键：鼠标左键（启动），鼠标右键（暂停）
  2. 功能：通过鼠标左键启动模型的旋转，通过鼠标右键暂停模型的旋转，

 旋转控制：

  1. 按键：X、Y、Z
  2. 功能：绕模型的x轴、y轴或z轴进行旋转。

 旋转方向切换：

  1. 按键：Shift+X、Shift+Y、Shift+Z
  2. 功能：反向旋转（切换顺时针或逆时针方向）。

 旋转速度调节：

  1. 按键：R（加速），F（减速）
  2. 功能：调整模型旋转的速度。

 复位（重置状态）：

  1. 按键：空格键
  2. 功能：将模型恢复到初始状态（复位旋转角度、速度等）。

 二·、程序代码实现

读取OFF格式三维模型文件

通过键盘和鼠标结合实现了对三维牛模型的变换控制，可以灵活调整旋转的轴、方向、速度以及暂停或复位三维牛模型状态。

readOff函数：用于从一个 OFF 文件格式中读取三维网格模型的数据，包括顶点位置和面片信息。

  • 首先检查传入的文件名 filename 是否为空。如果为空，直接返回。再使用 std::ifstream 打开指定的文件。如果文件打开失败，输出错误信息并返回；如果成功，输出成功信息。
  • 然后读取文件中的 OFF 标识符，确认文件格式。读取文件中的顶点数（nVertices）、面片数（nFaces）和边数（nEdges）。
  • 接着处理顶点数据，初始化 mx 和 mn，分别用于存储当前顶点坐标的最大值和最小值，方便后续计算归一化颜色。
  • 循环读取每个顶点的坐标（x、y、z），并将其存储到 vertex_positions 向量中，同时更新最大值和最小值。计算每个顶点的颜色，将顶点坐标归一化到 [0, 1] 范围内并存储到 vertex_colors 向量中。
  • 再处理面片数据，循环读取每个面片的信息，包括构成面片的顶点数量（num）和顶点的索引（a、b、c）。假设每个面片由三个顶点构成。将面片信息存储到 faces 向量中，使用自定义的 vec3i 结构体来表示每个面片的顶点索引。
  • 最后，关闭打开的文件，完成数据读取，再调用 storeFacesPoints() 函数存储面片点。

在生成函数中调用readOff函数：读取assets文件中的cow.off三维牛模型文件。

定义相关变量

  • NOW_AXIS：当前轴的标识，用于确定当前旋转是围绕哪个轴进行的。它的值代表X轴、Y轴或Z轴，用以控制物体在三维空间中围绕指定轴旋转。
  • pause：一个布尔变量，用于控制动画是否暂停。如果pause为true，动画会停止；如果为false，动画会继续运行。
  • speed：表示旋转的速度，默认值为1.0f。通过改变该变量的值，可以加快或减慢旋转的速度。（在本程序中的增量为0.2f）
  • sign：用于控制旋转方向的变量，默认值为-1，表示顺时针旋转（1表示逆时针旋转）。通过改变该变量的符号，可以切换旋转方向为顺时针或逆时针。

修改初始化init和显示display函数

  • Init初始化函数进行程序初始化设置。首先进行着色器的读取与使用，通过 bindObjectAndData(cube, cube_object, vshader, fshader); 将模型对象和着色器绑定在一起，以便为模型生成正确的渲染效果。接着使用cube->generateCube();生成一个三维牛模型。然后pause=1默认程序启动时动画是暂停的，且设置背景为黑色。

  • Display函数负责绘制场景。首先清除窗口的颜色缓存和深度缓存，启用之前绑定的着色器程序，以及绑定模型的顶点数组对象。接着如果当前处于自动旋转，改变模型的旋转矩阵 m，实现自动旋转效果。之后将变换矩阵 m 传入着色器，通知着色器如何对模型进行变换（如旋转、平移等）。最后绘制模型。

键盘回调函数

key_callback() 键盘事件处理回调函数，负责处理用户按键时触发的不同操作。

  • 退出功能 (ESC)：当按下 ESC 键时，调用 glfwSetWindowShouldClose(window, GL_TRUE) 关闭窗口，触发程序退出。
  • 切换绘制模式：当按下 1 键时，调用 glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE) 切换为线框模式显示物体。
  • 填充模式：当按下 2 键时，调用 glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL) 切换为填充模式显示物体。

  • 增加旋转速度：当按下 R 键时，增加旋转速度 speed，每次按下增加 0.2。增加速度后，调用 resetTheta() 重置旋转角度，并使用 updateTheta(NOW_AXIS, sign * speed) 更新当前绕哪个轴旋转的角度。
  • 减少旋转速度 ：当按下 F 键时，减少旋转速度 speed，每次按下减少 0.2。如果减速后小于 0，则保持为 0。

  • 绕指定轴自动旋转 (X, Y, Z)：当按下 X、Y 或 Z 键时，确定绕哪个轴旋转。X 键则绕 X 轴旋转；Y 键则绕 Y 轴旋转；Z 键则绕 Z 轴旋转。
  • 旋转方向：如果按下了 Shift 键，则逆时针旋转（sign = 1）；否则顺时针旋转（sign = -1）。因为sign默认是-1，即默认是顺时针旋转。
  • 复位功能（SPACE）：按下空格键时，重置所有参数，包括 重置旋转角度、恢复旋转速度、重置变换矩阵 m 为单位矩阵（无变换）。

鼠标回调函数

  • 鼠标左键自动旋转：当按下鼠标左键时，将变量 pause 设置为 0，表示开始自动旋转。在开始旋转后，会提示用户选择旋转轴（X 轴、Y 轴、Z 轴）。
  • 鼠标右键暂停旋转：当按下鼠标右键时，将变量 pause 设置为 1，表示暂停旋转。在停止旋转后，程序会输出提示信息表示旋转已停止。

交互界面显示

printHelp() 函数的作用是说明如何与三维牛模型交互的键盘和鼠标操作。

  • 鼠标左键和右键：左键点击让“牛”开始自动旋转，右键点击让“牛”停止旋转。
  • xyz键：按下 x 键让“牛”绕 X 轴旋转，y 键绕 Y 轴旋转， z 键绕 Z 轴旋转。
  • Shift 键：按 Shift 键改变旋转方向。
  • 空格键：按下空格键将“牛”恢复到初始位置，包括重置旋转状态和速度。
  • 1 键：按下 1 键切换到线框模式，“牛”以线条形式展示。
  • 2 键：按下 2 键切换到填充模式，“牛”以实心形式展示。
  • RF键：按下 R 键增加旋转速度。按下 F 键减慢旋转速度。

 修改主程序

（1）在主程序中添加判断语句，用pause判断当前动画是否在自动旋转。

（2）使用Uniform变量控制颜色明暗：

  • 在片元着色器中添加uniform变量： 在片元着色器代码中，添加一个uniform浮点变量来控制颜色的明暗。

  • 在主程序中传递brightness值： 在渲染循环中使用glUniform1f将亮度值传递给着色器。使用glfwGetTime()获取当前时间并将其映射到0.5到1之间的范围。亮度范围如何调整到0.5：(sin(glfwGetTime()) + 1.0f) / 2.0f 将正弦值标准化到 [0, 1] 的范围；* 0.5f 将范围从 [0, 1] 缩放到 [0, 0.5]；最后，加上 0.5f，使得最终的亮度范围变为 [0.5, 1]。

在读取OFF文件操作中修改三维牛模型的颜色

  • 在TriMesh.cpp上添加cow_brown_gradient牛的渐变棕色数组，一共包含8种棕色来实现牛的渐变颜色效果。
  • 在readOff函数中修改赋值顶点颜色的操作，使用vertex_colors.push_back(cow_brown_gradient[i % 8]);为牛模型的顶点分配颜色。

程序运行结果

运行程序初始界面。

点击鼠标左键开始旋转，按下x键进行绕x轴旋转。

按下y键进行绕y轴旋转。

按下z键进行绕z轴旋转。

按下1键为线条模式，2键为填充模式。

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