计算机图形学课程设计

计算机图形学课程设计

《虚拟时钟》

1.实验目的

1. 掌握基本三维建模软件 Blender的基本建模方法。
2. 掌握虚拟现实引擎 WorldViz Vizard呈现三维场景的方法。
3. 掌握三维模型呈现软件Assimp预览三维模型的方法。

2.实验方法

2.1建模阶段

1. 简要描述设计三维钟表表盘、表针的主要步骤并给出截图。
   设计表盘： 首先设计外表盘。添加两个半径不同的圆柱体，使圆心重合、上表面重合，通过布尔修改器求差值操作获得外表盘，设置颜色为黑色。 再添加一个圆柱体，设置适当大小，使其正好放置在外表盘中间作为内表盘，两者几何中心重合，设置颜色为白色。 然后设计表盘刻度，其中0点，3点，6点及9点的刻度为圆柱体，其他时间刻度为长方体，调整合适大小，放置在实际钟表的相应刻度处，长方体刻度都集中指向圆心，刻度统一设置颜色为黑色。

三维时钟表盘和指针：

2. 给出钟表刻度放置位置及角度的计算公式并解释。
   以表盘中心为坐标原点，垂直向上为y轴，水平向左为x轴建立坐标系，设顺时针旋转为正，y轴正半轴偏转角度为0，一下角度都是相对于y轴正半轴的偏转角度。
   只设计能整除5的刻度，共12个，其中0点、3点、6点及9点的圆柱体刻度分别放置在表盘的上右下左四个方向上，这4个刻度中每相邻两个之间有两个长方体刻度。
   设表盘半径为r，表盘中心位于建模环境中三维坐标的中心点上，坐标为(0,0,0)，0~11点刻度的偏转角度为α=i30度，相邻两个刻度之间角度差为30度。坐标为(rsin(α),0,r*cos(α))，因为表盘位于xOz平面内，所以y坐标均为0，只有x、z坐标有变化。

2.2呈现阶段

1. 简要描述程序执行流程并给出钟表仿真的截图。
   准备阶段：import所需的各种包，包括viz、、vizact、datetime、math。
   加载资源：利用addChild()函数加载表盘、时针、分针和秒针的obj文件，并利用setPosition()函数设置每个组件的位置，使其呈现结果位于窗口内合适位置。为了使场景美观，使用addChild()函数加载天空盒文件“sky_day.osgb”。
   编写定时器回调函数：利用Python的datetime类查询系统当前时间，记录小时、分针和秒数，然后计算相应表针的旋转角度，利用setEuler()函数更新表针的角度和位置。
   设置定时器：利用vizact类中的ontimer()函数，vizact.ontimer(1,rotate)，调用定时器回调函数rotate()，设置更新频率为每秒一次。

2. 给出表针旋转角度的计算公式并解释。
   h、m、s表示当前系统的小时数、分钟数和秒钟数。
   时针： 初始位置为指向9点处。 小时数为h时偏转角h_r=(12-(h-9)%12)30,由于表盘上一小时为30度，所以要乘以30。设置欧拉角hourhand.setEuler(0,0,h_r)，其中h_r为滚动角。
   分针： 初始位置为指向0点处。 分钟数为m时偏转角m_r=-m6，由于表盘上一小格为6度，所以要乘以6。设置欧拉角minutehand.setEuler(0,0,m_r)，其中m_r为滚动角。
   秒针： 初始位置为指向1点处。 秒钟数为s时偏转角s_r=-(s-5)*6，由于表盘上一小格为6度，所以要乘以6。设置欧拉角secondhand.setEuler(0,0,s_r),其中s_r为滚动角。

3. 给出表针相对于钟表圆心偏移的计算公式并解释。
   在Blender里进行表针建模时，已经设置好表针相对于表盘的偏移，程序里不需要计算偏移公式。表盘位于xOz平面内，设置表针有不同的y坐标，x、z坐标相同，即可实现表针相对于表盘的偏移。

3.实验心得

通过本次课程设计，初步掌握了三维应用软件的基本开发流程。熟悉了利用三维建模软件Blender进行建模的操作，学会用虚拟现实引擎（三维渲染呈现软件）WorldViz Vizard编程设置并呈现三维场景，还学会了用三维呈现软件Assimp预览三维模型。实验中的软件操作方法都是依靠网上查找教程自学，所以通过实验也很好地锻炼了自己的自学能力，学会查找、搜集有用信息，有效地转化为自己的知识。让我印象深刻的是Blender的强大建模功能，看到许多利用Blender制作的模型、人物和动画，非常逼真，感受到计算机图形学的巨大作用。本次课设的理论内容比较少，多是实践操作，而图形学最终就是要应用的。目前自己对这门学科的认识还远远不够，希望自己今后对这门学科有深入学习，不是仅仅学会使用一个工具，而要学会通过工具来实现自己的想法，创造价值。