OpenGL 期末考试作业

1、OpenGL中能渲染的基本元素是什么？(曲面)

答：OPENGL基本元素：

GL_POINTS GL_LINES GL_POLYGON  GL_LINE_STRIP

GL_LINE_LOOP GL_TRANGLES GL_TRANGLE_STRIP 　GL_TRANGLE_FAN  GL_QUADS  GL_QUAD_STRIP

GLU基本元素:NUBRS曲线曲面,二次曲面等

2、常见的渲染引擎有哪些？举例说明这些实时渲染引擎的主要功能。

答：常见的渲染引擎有：Direct3D(微软),OpenGL ,Delta3d

OpenGL提供了大量的实用基本操作函数。如几何建模、变换、渲染、光照和材质、反走样、混合、雾化、位图和图像、纹理映射、交互和动画等。
OpenGL具有的主要优点如下：
平台无关性。OpenGL是一个硬件与图形的软件接口，实际上就是一个三维图形和模型库，可以在任意平台和操作系统上运行。
硬件加速性。OpenGL的应用程序接口属于低层的和面向图形硬件的软件接口，因此许多算法可以通过硬件实现。目前几乎所有的三维图形加速卡都具有OpenGL加速功能。
网络开放性。OpenGL工作在客户机/服务器模式下，客户机与服务器可以是各种不同的计算机和外设，只要两者之间服从相同的协议。这使得用户能够十分方便的在网络环境下使用OpenGL。

DirectX它可让以windows为平台的游戏或多媒体程序获得更高的执行效率，加强3d图形和声音效果，并提供设计人员一个共同的硬件驱动标准，让游戏开发者不必为每一品牌的硬件来写不同的驱动程序，也降低用户安装及设置硬件的复杂度。

Delta3D是一款由美国海军研究学院开发的全功能游戏与仿真引擎。是一个功能齐全的游戏引擎，可用于游戏，模拟或其他图形应用。

3、可以使用的矩阵堆栈有哪些？

答：模型视点矩阵,投影矩阵,颜色矩阵(应该还有一个纹理矩阵)

4、说明使用纹理的步骤。

步骤：1、创建纹理对象，并为它指定一个纹理。

      2、确定这个纹理如何应用到每个象素上。

      3、启用纹理贴图功能。

      4、绘制场景，提供纹理坐标和几何图形坐标。

投影纹理：通过应用一系列的变换，可以把物体坐标中的坐标映射到一个2D空间（纹理空间）中，并找出每个顶点映射到纹理的哪个部分，然后把这个位置当作纹理坐标给顶点。变换的过程是将物体坐标进行MODEL变换统一到一个世界坐标系，再进过Projector的VIEW矩阵变换投影的视点（Projector  View）空间下，然后通过透视矩阵，最后要进行一部缩放和偏移的变换，这样就生成了它的投影纹理。

多重纹理：多重纹理是指对一个多边形映射多个纹理。在纹理映射的过程中，对各个纹理单元中的纹理，通过纹理组合函数，逐个应用到多边形上。使用多重纹理时，有多个纹理单元和多个纹理坐标，OPENGL渲染时对每个纹理进行单独的纹理操作，并把结果传递到下一个纹理单元中，即每个纹理单元根据它的纹理状态，把原来的片元颜色与纹理单元中的图像以一定的方式进行组合，把把产生的片元颜色传递到下一个纹理单元，在纹理组合时，OPENGL通过指定的纹理组合函数，如GL_REPLACE，GL_ADD,GL_MODULATE等方式。

5、Mipmap的作用是什么？为什么mipmap可以用来纹理反混淆。

(如何实现纹理的反走样？说明其原理。)

Mipmap是一系列预先过滤的分辨率递减的纹理图像。

在OPENGL使用Mipmap时，会根据被贴图的物体大小自动确定使用那个纹理。使用这种方法，纹理图像中的细节层就能适应地被绘制到屏幕上的图像。生成Mipmap时，较小的图像通常是进行了过滤的版本，是对最大的纹理图像进行适当匀缩后的结果，一般而言，较小的纹理图像的每个纹理单元是更高一级分辨率的纹理图像的4个纹理单元的平均值。

6、写出OpenGL中局部光照的方程，要包含的系数有光源参数、材料参数、聚光灯的参数、衰减参数等，方程要表示是多个光源的。

7、如何理解模型视图变换？在一个坐标系W中，设模型为一个以(5.0, 0.0, 0.0), (0.0, 5.0, 0.0), (0.0, 0.0, 5.0)为三个点的三角形，现在把照相机按照下列方式设置：

• 照相机位置设为：（0.0, 0.0, 100.0），看向的目标点为 (0.0, 0.0, 0.0) ，照相机的up方向为（0.0, 1.0, 0.0）
• 投影为透视投影，竖直张角为60度
• 取景范围为沿照相机的朝向距离从0.1 到  300

现需要把照相机看到的图片放在一个400x300像素分辨率的窗口的右上部分，该部分起始点为 (100, 100), 宽度为200，高度为200

(1)     请写出用OpenGL函数表示的照相机设置。

(2)     写出视区(viewport)的设置函数。

(3)     写出投影变换的设置函数。

(4)     求出从坐标系W到照相机坐标系（视点坐标系）的4x4的变换矩阵。

1. gluLookAt(0.0,0.0, 100.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0);

2. glViewport (100, 100, 200, 200);

3. gluPerspective(60.0f,1.0f,0.1f,300.0f);

4. 变换矩阵为：

[ 1   0   0   0        

0   1   0   0

0   0   1   -100

0   0   0   1  ]

8、采用GLSL语言如何进行编程，Vertex Shader 和 Fragment Shader 的输入输出

GLSL（GL Shading Language）是用来在顶点和像素着色器（shader）中编程的语言，编写的程序段是在图形卡的GPU（Graphic Processor Unit图形处理单元）上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分。比如：视图转换、投影转换等。GLSL的着色器代码分成2个部分：Vertex Shader（顶点着色器）和Fragment Shader（片断着色器）。

顶点着色器控制顶点坐标转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。

在Vertex Shader中的输入坐标为局部坐标系（模型坐标系），输出坐标为经过ModelView，ProjectionMatrix后的裁剪坐标系。

Fragment Shader 的输入通常为纹理坐标、光照信息等，输出为最后计算出的颜色值

输入输出的主要参数包括Vertex，Normal，Color, Position以及Material等信息。

9、用框图说明OpenGL的渲染管线，并简要说明顶点变换中的每个坐标系。

见书。

10、分析程序并计算

请看下面的一段程序，并计算三个顶点1、2和3处的光照的颜色值。必须写出过程，只有结果不得分。

#include <GL/glut.h>

void init(void) 
{
	GLfloat mat_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };
	GLfloat mat_diffuse[] = { 0.8, 0.8, 0.8, 1.0 };
	GLfloat mat_emission[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
	GLfloat mat_specular[] = { 0.3, 0.3, 0.3, 1.0 };
	GLfloat mat_shininess[] = { 2.0 };

	GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
	GLfloat light_ambient[] = {0.2, 0.2, 0.2, 1.0};
	GLfloat light_diffuse[] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0};
	GLfloat light_specular[] ={1.0, 1.0, 1.0, 1.0};
	GLfloat lmodel_ambient[] = {0.2, 0.2, 0.2, 1.0};
	glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	glShadeModel (GL_SMOOTH);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, mat_emission);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular);

	glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);
	glEnable(GL_LIGHTING);
	glEnable(GL_LIGHT0);
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void display(void)
{
	glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
	glBegin(GL_TRIANGLES);
	glNormal3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);
	glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);   //1
	glVertex3f(1.0, 0.0, 0.0);   //2
	glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);   //3
	glEnd();
	glFlush ();
}
void reshape (int w, int h)
{
	glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
	glMatrixMode (GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	if (w <= h)
		glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w,1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0);
	else
		glOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h,1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glLoadIdentity();
}
int main(int argc, char** argv)
{
	glutInit(&argc, argv);
	glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
	glutInitWindowSize (500, 500); 
	glutInitWindowPosition (100, 100);
	glutCreateWindow (argv[0]);
	init ();
	glutDisplayFunc(display); 
	glutReshapeFunc(reshape);
	glutMainLoop();
	return 0;
}

    因为   GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

       故L=G((1,1,1));

       n=G((0,0,1));s=G(L+(0,0,1)); kc=1,kl=kq=0,N=1聚光效果的1;

11、请用OBJ格式表示一个长度为10的立方体，并把每个面分别贴上图片文件pic1.jpg，pic2.jpg, pic3.jpg, pic4.jpg, pic5.jpg。

12、常见有几种帧缓冲（Framebuffer），Stencil buffer如何使用。看懂stencil.c文件。

帧缓存有几种，什么叫片元，片元的测试和操作有哪些？

颜色缓存：包括左前，右前，左后，右后及任意数量的辅助颜色缓存。

深度缓存,模板缓存，累积缓存

 

明白stencilbuffer（模板缓冲区）的使用。

模板测试常用的是屏蔽掉屏幕中一些不规则的区域，以免在这些区域中进行绘图。使用glStencilFunc()和glStencilOp()函数选择需要使用的特定比较函数，参考值以及对模板缓冲区所执行的修改操作。

模板测试的结果决定了像素的颜色值是否要被写入到渲染目标，像素的深度值是否要被写入深度缓冲。

例如，当参考模板值为0时将一些物体绘制到场景中，而此时模板缓冲已经清除为1，那么当绘制这些物体时模板缓冲就会为0。如果接着将参考值设置为1，而且StencilFunction设置为 CompareFunction.LessEqual，那么只有那些模板值不为0的对应区域的像素会被绘制。这是使用模板缓冲创建一个限制当前绘制区域的基本用法。

要使用模板缓冲，DepthFormat必须保留一些字节用于模板缓冲。

片元：

片元的测试按下列的顺序进行，如果在前面的测试中片元被删除，则不在进行后续的测试或操作。

1.       剪取测试：利用glScissor()函数定义窗口中的一个矩形，并将图限制在其中。

2.       alpha测试：利用alpha值来确定或是拒绝一个片元。利用glEnable()使用参数GL_ALPHA_TEST激活。哟哦那个glAlphaFunc()来比较。用来实现透明算法和纹理图制作贴花。

3.       模板测试：对存储于模板缓存中的像素值与参考值进行比较，根据比较的结果来对模板缓存中的值进行修改。glStencilOp().

4.深度测试：用于消除隐藏表面的操作。glDepthFunc()来设置比较函数。 

13、请举出一种场景反混淆(反走样)的方法。

对场景的反走样，通常采用多重采样的方法。多重采样的方法使用额外的颜色，深度和模版信息对图元进行反走样处理。每个片元是根椐子像素样本的数量和信息来计算，也就是根据一个多重采样缓冲区所保存的样本来计算。

一种是扰动视点的方法，也就是多次绘制这个场景，每次绘制时，对视点进行抖动，作一点轻微的偏移，当整个渲染过程完结后，再把所有图象叠加起来,由于每个图象的位置不同，可以减轻锯齿状。

14、分析下面的程序并计算

   在下面的例子中，计算对应1234四个顶点所对应的四边形上的一个点（-1.5, 0.5, 0.0）对应的纹理坐标是多少？按照最近邻域滤波方法，该点对应的颜色是什么？写出详细的计算过程，只有结果将不给分。

#define checkImageWidth 64

#define checkImageHeight 64

static GLubyte checkImage[checkImageHeight][checkImageWidth][4];

static GLuint texName;

void makeCheckImage(void)

{

   int i, j, c;

   for (i = 0; i < checkImageHeight; i++) {

      for (j = 0; j < checkImageWidth; j++) {

         c = ((((i&0x8)==0)^((j&0x8))==0))*255;

         checkImage[i][j][0] = (GLubyte) c;

         checkImage[i][j][1] = (GLubyte) c;

         checkImage[i][j][2] = (GLubyte) c;

         checkImage[i][j][3] = (GLubyte) 255;

      }

   }

}

void init(void)

{   

   glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

   glShadeModel(GL_FLAT);

   glEnable(GL_DEPTH_TEST);

   makeCheckImage();

   glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);

   glGenTextures(1, &texName);

   glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName);

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

   glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, checkImageWidth, checkImageHeight,

                0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, checkImage);

}

void display(void)

{  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

   glEnable(GL_TEXTURE_2D);

   glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_DECAL);

   glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName);

   glBegin(GL_QUADS);

   1 glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(-2.0, -1.0, 0.0);

   2 glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex3f(-2.0, 1.0, 0.0);

   3 glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0);

   4 glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex3f(0.0, -1.0, 0.0);

   glEnd();

   glFlush();

  }

void reshape(int w, int h)

{

   glViewport(0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);

   glMatrixMode(GL_PROJECTION);

   glLoadIdentity();

   gluPerspective(60.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 30.0);

   glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

   glLoadIdentity();

   glTranslatef(0.0, 0.0, -3.6);

}

int main(int argc, char** argv)

{  glutInit(&argc, argv);

   glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);

   glutInitWindowSize(250, 250);

   glutInitWindowPosition(100, 100);

   glutCreateWindow(argv[0]);

   init();

   glutDisplayFunc(display);

   glutReshapeFunc(reshape);

   glutMainLoop(); 

}