Fractal_tree_of_L-System

【C++/OpenGL】基于L系统随机文法元的分形树

转载与调用请保留并注释原作者yaBorn的原文地址：https://github.com/yaBorn/-OpenGL-Fractal_tree_of_L-System

TODO:
1.报告编写 OK
2.加入图片ing
3.整理cpp

班级：数媒1803班
学号：1191180331

此处应有图片*1(可能未显示，图片在<im_rd>中)
深层迭代情况下的树，可以看出由三个文法元，随机迭代，层数够深时和自然状态的树很接近了。(不过深层迭代的性能8太行)

运行说明

直接下载解压<可执行程序_L分形树.rar>，内有dll，bmp*2，exe，点击exe运行即可。
下载右侧发布Releases<_L.rar>也可以。
若提示找不到 msvcp140d.dll / ucrtbased.dll / vcruntime140d.dll，将对应dll下载置于根目录即可。

此处应有动图*2(可能未显示，图片在<im_rd>中)

编写环境

VStudio 2017 (安装NuGet包管理器)
nupengl.core / nupengl.core.redist dll下载
GLUT

调试说明

下载<VStudio源工程>，解压。
VS代开根目录sln文件。
确保freeglut.dll在Debug文件夹内。
点击源.cpp即为主代码。

运行操作

下载<标识-可执行程序> 或右侧Releases<_L.rar>。
解压后，dll、bmp*2、exe文件处于同一程序目录下。
点击exe运行。
将打开命令行窗口与绘制窗口，鼠标点击绘制窗口。
命令行窗口有操作说明。

操作说明

1 - 重新生成5迭代树 2 - 打开网线 3 - 打开纹理 4 - 减少迭代次数 5 - 增加迭代次数
q - 返回初始机位 e - 切换投影方式
w - 前移
a - 左移 s - 后移 d - 右移
z - 空间顺时旋转 c - 空间逆时旋转
x - 关闭/打开网线
鼠标滚轮向上滚动 - 上移鼠标滚轮向下滚动 - 下移

效果

旋转视角，无透视模式下查看分形树的整体。
按下e，切换至透视模式，w/s可前进后退查看分形树的细节。
大键盘3，打开/关闭纹理。
大键盘1，重新生成随机文法，对应分形树发送改变。
大键盘4/5，文法迭代深度，迭代深度越高，通常其分形树越复杂。
(因为文法元复杂度不同，连续使用复杂文法元导致浅层树可能较复杂)
深度>8，可能导致性能下降(因为迭代复杂规模n^2)

代码说明

TODO: CPP代码整理

核心代码在<code.cpp> 一股脑把bmp纹理加载代码+文法生成代码+渲染器绘制代码+输入交互代码放一起了。
导致code.cpp比较冗杂。有时间分割掉。
此处说明文法生成与根据绘制分形树
其余代码(纹理加载、交互、glut框架)详见<code.cpp>
或者源工程中的<源.cpp>

思路

使用了以前图形学的代码_读取bmp生成纹理。
利用分形的**，并加入随机过程的影响，每次迭代分形时随机选取预设分形策略。
绘制前先根据分形**，由初始字符串，根据文法生成元迭代字符串，然后根据字符串绘制分形树。
文法生成规则如下:
(1). F绘制树干，X绘制叶子，AB更改树干参数，+-/%&坐标变换，[]进出栈
(2). 如有文法FA[+&X][-/X][+%X]B,则表示渲染器有如下操作
绘制树干->树干长度变化->坐标系入栈->坐标连续变换+*&->绘制叶子->坐标系出栈->坐标系入栈->...
(3). 文法终结于叶子X，按照分形与数据结构_生成树的思路，可以将叶子X替换为另一段文法，即将叶子换为树干+叶子，则这颗树"长大"了。太好了，好耶！
(4). 将叶子X替换为文法时，可以预设不同的文法生成元(类似(2)例子)，随机选择不同的生成元替换该文法。
(5). 由此，一段简短的初始文法将被分形迭代为复杂超超超超超级级级级级级级级长长长长长长长长长的文法。
遍历目标文法，switch判定此时渲染器操作。树生成完成，完美。
然后是一些简单的输入交互。

代码结构

纹理加载

判定2的整数次幂 power_of_two(int n) 用于LoadTexture()
读取bmp文件加载纹理 LoadTexture(const char* file_name)

分形文法生成

预设文法生成元
根据初始元生成文法字符串 grammarIteration(string grammar, int level)

绘制分形树

绘制树干 drawTree()
绘制叶子 drawLeaf()
根据文法绘制分形树 grammarDraw(string grammar)

glut回调

绘制空间在此处编写绘制代码 DrawRoom() 用于myDisplay()
显示回调函数 myDisplay() 在main中被指定
初始化函数 Initial()

交互回调

键盘交互 keyBoard()
鼠标交互 onMouseWheel()

主函数 main()

文法生成代码

//文法生成元
//F绘制树干，X绘制叶子，AB更改树干参数，+-/*%&坐标变换，[]进出栈
string grammar1 = "FA[+*&X][-/X][+%X]B";
string grammar2 = "FA[%-X][&*X][+/X][-*X]B";
string grammar3 = "FA[-*X][/&X][*%X][+&X]B";
string treegra;

//根据元生成文法字符串
string grammarIteration(string grammar, int level)
{
	string tempRule = grammar;
	string rule = {};
	for (int i = 1; i <= level; i++) // 迭代level次，每次遍历字符串，将X替换为文法生成元
	{
		int curlen = tempRule.length();
		int j = 0;
		srand((int)time(0));//随机种子
		while (j < curlen) {
			if ('X' == tempRule[j]) { // X迭代，替换成文法模型		
				int n = random(3);
				//cout << n << endl;
				if (0 == n) {
					rule += grammar3;
				}
				else if (1 == n) {
					rule += grammar2;
				}
				else if (2 == n) {
					rule += grammar1;
				}
				j++;
			}
			else { // 保留	
				rule += tempRule[j];
				j++;
			}
		}
		tempRule = rule;
		rule.clear();
	}
	rule = tempRule;
	return rule;
}

着色器渲染代码

仅渲染生成树部分，然后在绘制回调glutDisplayFunc(&func)的func()中调用grammarDraw(grammar)即可

// 绘制树干,用于grammarDraw()
void drawTree(float baseRadius, float topRadius, float height)
{
	GLUquadricObj *tree_obj;
	tree_obj = gluNewQuadric();//创建二次曲面对象
	if (tree != 0 && veinState == 1) {
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, tree);//绑定纹理
		gluQuadricTexture(tree_obj, GL_TRUE);
	}
	else {
		glColor3ub(155, 81, 33);//纹理加载失败时代替
	}
	gluCylinder(tree_obj, baseRadius, topRadius, height, 30, 30);//绘制
	glTranslatef(0.0f, 0.0f, height);
	gluSphere(tree_obj, topRadius, 30, 30);
	gluDeleteQuadric(tree_obj);
}
// 绘制叶子,用于grammarDraw()
void drawLeaf()
{
	if (leaf != 0 && veinState == 1) {
		glEnable(GL_ALPHA_TEST);
		glAlphaFunc(GL_GREATER, 0.9f);
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, leaf);//绑定纹理
		glBegin(GL_QUADS);
		glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(0, 0, 0);
		glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex3f(10, 10, 0);
		glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(0, 20, 0);
		glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex3f(-10, 10, 0);
		glEnd();
		glDisable(GL_ALPHA_TEST);
	}
	else {
		glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);//纹理加载失败时代替
		glBegin(GL_QUADS);
		glVertex3f(0, 0, 0);
		glVertex3f(5, 5, 0);
		glVertex3f(0, 10, 0);
		glVertex3f(-5, 5, 0);
		glEnd();
	}
}
// 根据文法绘制分形树
void grammarDraw(string grammar)
{
	float baseRadius = 10, topRadius = 6, height = 200;
	int i = 0;
	while (i < grammar.length()) {
		switch (grammar[i]) {
			//F绘制树干，X绘制叶子，AB更改树干参数，+-/*%&坐标变换，[]进出栈
		case'F':drawTree(baseRadius, topRadius, height); break;
		case'X':drawLeaf(); break;
		case'A':height *= 0.6; baseRadius *= 0.5; topRadius *= 0.5; break;
		case'B':height /= 0.6; baseRadius /= 0.5; topRadius /= 0.5; break;
		case'+':glRotatef(35, 1, 0, 0); break;
		case'-':glRotatef(-35, 1, 0, 0); break;
		case'*':glRotatef(35, 0, 1, 0); break;
		case'/':glRotatef(-35, 0, 1, 0); break;
		case'%':glRotatef(35, 0, 0, 1); break;
		case'&':glRotatef(-35, 0, 0, 1); break;
		case'[':glPushMatrix(); break;
		case']':glPopMatrix(); break;
		}
		i++;
	}
}

读取BMP生成纹理代码

//判断一个整数是不是2的整数次幂
int power_of_two(int n)
{
	if (n <= 0) {
		return 0;
	}
	return (n & (n - 1)) == 0;
}
//读取bmp文件加载纹理并返回
GLuint LoadTexture(const char* file_name)
{
	GLint width, height, total_bytes;
	GLubyte* pixels = 0;
	GLuint last_texture_ID = 0, texture_ID = 0;

	// 打开文件，如果失败，返回	
	FILE* pFile;
	if (fopen_s(&pFile, file_name, "rb")) {
		//printf_s("文件 %s 加载失败 无法打开\n", file_name);
		return 0;
	}

	// 读取文件中图象的宽度和高度	
	fseek(pFile, 0x0012, SEEK_SET);
	fread(&width, 4, 1, pFile);
	fread(&height, 4, 1, pFile);
	fseek(pFile, BMP_Header_Length, SEEK_SET);

	// 计算每行像素所占字节数，并根据此数据计算总像素字节数	
	GLint line_bytes = width * 3;
	while (line_bytes % 4 != 0) {
		++line_bytes;
	}
	total_bytes = line_bytes * height;

	// 根据总像素字节数分配内存
	pixels = (GLubyte*)malloc(total_bytes);
	if (0 == pixels) {
		fclose(pFile);
		printf_s("文件 %s 加载失败 像素为0\n", file_name);
		return 0;
	}

	// 读取像素数据	
	if (fread(pixels, total_bytes, 1, pFile) <= 0) {
		free(pixels);
		fclose(pFile);
		printf_s("文件 %s 加载失败 数据缺失\n", file_name);
		return 0;
	}

	// 对就旧版本的兼容，如果图象的宽度和高度不是的整数次方，则需要进行缩放
	// 若图像宽高超过了OpenGL规定的最大值，也缩放	
	GLint max;
	glGetIntegerv(GL_MAX_TEXTURE_SIZE, &max);
	if (!power_of_two(width)
		|| !power_of_two(height)
		|| width > max
		|| height > max)
	{
		const GLint new_width = 256;
		const GLint new_height = 256; // 规定缩放后新的大小为边长的正方形		
		GLint new_line_bytes, new_total_bytes;
		GLubyte* new_pixels = 0;

		// 计算每行需要的字节数和总字节数	
		new_line_bytes = new_width * 3;
		while (new_line_bytes % 4 != 0) {
			++new_line_bytes;
		}
		new_total_bytes = new_line_bytes * new_height;

		// 分配内存		
		new_pixels = (GLubyte*)malloc(new_total_bytes);
		if (0 == new_pixels) {
			free(pixels);
			fclose(pFile);
			printf_s("文件 %s 加载失败 内存分配失败\n", file_name);
			return 0;
		}

		// 进行像素缩放		
		gluScaleImage(GL_RGB,
			width, height, GL_UNSIGNED_BYTE, pixels,
			new_width, new_height, GL_UNSIGNED_BYTE, new_pixels);

		// 释放原来的像素数据，把pixels指向新的像素数据，并重新设置width和height		
		free(pixels);
		pixels = new_pixels;
		width = new_width;
		height = new_height;
	}

	//设置白色为透明的0,之前读取的RGB，现在需要RGBA
	unsigned char* texture = 0;
	texture = (unsigned char*)malloc(width * height * 4);
	for (int m = 0; m < width; m++) {
		for (int j = 0; j < height; j++) {
			//把颜色值写入   	
			texture[m*width * 4 + j * 4] = pixels[m*width * 3 + j * 3];
			texture[m*width * 4 + j * 4 + 1] = pixels[m*width * 3 + j * 3 + 1];
			texture[m*width * 4 + j * 4 + 2] = pixels[m*width * 3 + j * 3 + 2];

			//设置alpha值,假设白色为透明色   
			if (texture[m*width * 4 + j * 4] >= 200
				&& texture[m*width * 4 + j * 4 + 1] >= 200
				&& texture[m*width * 4 + j * 4 + 2] >= 200) {
				texture[m*width * 4 + j * 4 + 3] = 0;//透明，alpha=0  
				//cout << (int)texture[m*width * 4 + j * 4 + 3];
			}
			else {
				texture[m*width * 4 + j * 4 + 3] = 255;//不透明，alpha=255  
				//cout << (int)texture[m*width * 4 + j * 4 + 3];
			}
		}
	}

	// 分配一个新的纹理编号
	glGenTextures(1, &texture_ID);
	if (0 == texture_ID) {
		free(pixels);
		free(texture);
		fclose(pFile);
		printf_s("文件 %s 加载失败 纹理分配失败\n", file_name);
		return 0;
	}

	// 绑定新的纹理，载入纹理并设置纹理参数
	// 在绑定前，先获得原来绑定的纹理编号，以便在最后进行恢复	
	GLint lastTextureID = last_texture_ID;
	glGetIntegerv(GL_TEXTURE_BINDING_2D, &lastTextureID);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture_ID);
	glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);

	glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
	glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);
	glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
	glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

	glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 4, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, texture);
	gluBuild2DMipmaps(GL_TEXTURE_2D, 4, width, height, GL_BGRA_EXT, GL_UNSIGNED_BYTE, texture);
	glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_MODULATE);

	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, lastTextureID);  //恢复之前的纹理绑定
	free(pixels);
	free(texture);
	//printf_s("文件 %s 纹理加载 成功\n", file_name);
	return texture_ID;
}

许可

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