第2关：立方体平行投影

一.任务描述

根据提示，在右侧修改代码，并自己绘制出图形。平台会对你编写的代码进行测试。

1.本关任务

学习了解三维图形几何变换原理。 理解掌握OpenGL三维图形几何变换的方法。 理解掌握OpenGL程序的模型视图变换。 掌握OpenGL三维图形显示与观察的原理与实现。

2.预期输出

3.具体要求

(1).背景色为黑色，用 glclearcolor 来完成； (2).运用glPushMatrix()函数和glPopMatrix()函数进行矩阵操作，以中心为绘制原点，设置前景色为红色glColor3f(1.0, 0.0, 0.0)，绘制单位立方体线框，用glutWireCube(1.0)完成; (3).运用glPushMatrix()函数和glPopMatrix()函数进行矩阵操作，设置前景色为黑色glColor3f(0.0, 1.0, 0.0)，设置线宽为2.0用glLineWidth(2.0)完成，将原单位立方体线框沿X轴正方向平移2.0；
(4).运用glPushMatrix()函数和glPopMatrix()函数进行矩阵操作，沿X轴负方向平移2.0，设置前景色为蓝色glColor3f(0.0, 0.0, 1.0)，绘制单位立方体实体用glutSolidCube(1.0)完成； (5).进行平行投影调用glOrtho()函数，坐标为(左，右，下，上，近，远)，坐标为glOrtho(-3.0, 3.0, -3.0, 3.0,-100.0, 100.0);

二.相关知识

1.实验内容

为了完成本关任务，你需要： (1)阅读教材有关三维图形变换原理，运行示范实验代码，掌握OPENGL程序三维图形变换的方法； (2)阅读实验原理，运行示范实验代码，理解掌握OpenGL程序的模型视图变换。 (3)请分别调整观察变换矩阵、模型变换矩阵和投影变换矩阵的参数，观察变换结果； (4)掌握三维观察流程、观察坐标系的确定、世界坐标系与观察坐标系之间的转换、平行投影和透视投影的特点，观察空间与规范化观察空间的概念。理解OpenGL图形库下视点函数、正交投影函数、透视投影函数。理解三维图形显示与观察代码实例。

2.平行投影

投影变换：类似于为照相机选择镜头，将三维模型通过投影方式生成一幅二维投影图，同时确定视野，并确定哪些物体位于视野之内以及它们能够被看到的程度。投影变换主要分为透视投影和平行投影两种。

3.glOrtho()函数

glOrtho(左，右，下，上，近，远)为正投影函数，其中六个参数划分出了一个立方体空间，这个空间里物体将以正投影的模式表现，在移动的过程中，观察到的物体大小不会发生变化，这解释了为什么在正投影中移动物体，不能观察出物体形状变化；

4.注意事项

下面是这些变换函数使用时需要注意内容： (1)在OpenGL程序中，视图变换必须出现在模型变换之前，但可以在绘图之前的任何时候执行投影变换和视口变换。 (2)确定视图变换之前，应该使用glLoadIdentity函数把当前矩阵设置为单位矩阵，类似于变换初始化。 (3)一般而言，display函数包括：视图变换 + 模型变换 + 绘制图形的函数（如glutWireCube）。display会在窗口被移动或者原来先遮住这个窗口的东西被移开时，被重复调用，并经过适当变换，保证绘制的图形是按照希望的方式进行绘制。 (4)在调用glFrustum设置投影变换之前，在reshape函数中有一些准备工作：视口变换 + 投影变换 + 模型视图变换。由于投影变换，视口变换共同决定了场景是如何映射到计算机的屏幕上的，而且它们都与屏幕的宽度、高度密切相关，因此应该放在reshape函数中。reshape函数会在窗口初次创建，移动或改变时被调用。

总结起来，OpenGL中矩阵坐标之间的关系为：模型世界坐标→模型视图矩阵→投影矩阵→透视除法→规范化设备坐标→窗口坐标。

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开始你的任务吧，祝你成功！

三.实验代码

// 提示：在合适的地方修改或添加代码
#include <GL/freeglut.h>
#include<stdio.h>

// 评测代码所用头文件-开始
#include<opencv2/core/core.hpp>
#include<opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
// 评测代码所用头文件-结束

GLint winWidth = 400, winHeight =400 ; 	      //设置初始化窗口大小

/*观察坐标系参数设置*/
GLfloat x0 = 0.0, yy = 0.0, z0 = 5.0;	   //设置观察坐标系原点 
GLfloat xref = 0.0, yref = 0.0, zref = 0.0;	//设置观察坐标系参考点（视点） 
GLfloat Vx = 0.0, Vy = 1.0, Vz = 0.0;	   //设置观察坐标系向上向量（y轴） 

/*观察体参数设置 */
GLfloat xwMin = -1.0, ywMin = -1.0, xwMax = 1.0, ywMax = 1.0;//设置裁剪窗口坐标范围
GLfloat dnear = 1.5, dfar = 20.0;	      //设置远、近裁剪面深度范围

void init(void)
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}
void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    glLoadIdentity();
    /*观察变换*/
    gluLookAt(x0, yy, z0, xref, yref, zref, Vx, Vy, Vz);        //指定三维观察参数

    // 请在此添加你的代码
    /********** Begin ********/
    glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,0.0f);//背景色为黑色

    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);//前景色为红色
    glutWireCube(1.0);//绘制单位立方体线框
    glPopMatrix();

    glPushMatrix();
    glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);//前景色为黑色
    glLineWidth(2.0);//线宽为2.0
    glTranslatef(2.0f,0.0f,0.0f);//沿X轴正方向平移2.0
    glutWireCube(1.0);//绘制单位立方体线框
    glPopMatrix();

    glPushMatrix();
    glTranslatef(-2.0f,0.0f,0.0f);//沿X轴负方向平移2.0
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);//前景色为蓝色
    glutSolidCube(1.0);//单位立方体实体
    glPopMatrix();


    /********** End **********/
    glFlush();
}

void reshape(GLint newWidth, GLint newHeight)
{
    /*视口变换*/
    glViewport(0, 0, newWidth, newHeight);	//定义视口大小

    /*投影变换*/
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);

    glLoadIdentity();

    /*平行投影*/
    glOrtho( -3.0,3.0 ,-3.0 ,3.0 ,-100.0 ,100.0 );

    /*模型变换*/
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    
    winWidth = newWidth;
    winHeight = newHeight;
}
int main(int argc, char* argv[])
{

    glutInit(&argc, argv);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutInitWindowSize( 400 , 400 );        //设置初始化窗口大小
    glutCreateWindow("三维观察");
    init();
    glutDisplayFunc(display);
    glutReshapeFunc(reshape);
    glutMainLoopEvent();





    /*************以下为评测代码，与本次实验内容无关，请勿修改**************/
    GLubyte* pPixelData = (GLubyte*)malloc(800 * 400 * 3);//分配内存
    GLint viewport[4] = { 0 };
    glReadBuffer(GL_FRONT);
    glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4);
    glGetIntegerv(GL_VIEWPORT, viewport);
    glReadPixels(viewport[0], viewport[1], viewport[2], viewport[3], GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, pPixelData);
    cv::Mat img;
    std::vector<cv::Mat> imgPlanes;
    img.create(400, 400, CV_8UC3);
    cv::split(img, imgPlanes);

    for (int i = 0; i < 400; i++) {
        unsigned char* plane0Ptr = imgPlanes[0].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane1Ptr = imgPlanes[1].ptr<unsigned char>(i);
        unsigned char* plane2Ptr = imgPlanes[2].ptr<unsigned char>(i);
        for (int j = 0; j < 400; j++) {
            int k = 3 * (i * 400 + j);
            plane2Ptr[j] = pPixelData[k];
            plane1Ptr[j] = pPixelData[k + 1];
            plane0Ptr[j] = pPixelData[k + 2];
        }
    }
    cv::merge(imgPlanes, img);
    cv::flip(img, img, 0);
    cv::namedWindow("openglGrab");
    cv::imshow("openglGrab", img);
    //cv::waitKey();
    cv::imwrite("../img_step3/test.jpg", img);
    return 0;
}