/*这是一个简单的三维引擎程序，模仿三个天体的运动，一个行星绕轴自转，两个卫星分别绕行星的 经线和纬线做公转。（在turboc3.0下编译成功）*/
#include<stdio.h> #include<dos.h> #include<conio.h> #include<graphics.h> #include<stdlib.h> #include<alloc.h> #include<time.h> #include<bios.h> #include<string.h> #include<math.h> #define ESC 27 #define F 80 //此数表示通常情况下操作者离电脑的距离（80厘米） #define HIGHT 480 //屏幕纵向分辩率 #define WIDE 640 //屏幕横向分辨率 #define PAI 3.1415926 //圆周率 #define TIME 0.05 //转动间隔时间（每0.2秒转动5度）
typedef struct {float x; float y; }_2D ; //二维坐标点
typedef struct {float x; float y; float z; }_3D; //三维坐标点
typedef struct {int anglex; int angley; int anglez; }Axle; //轴向量（angle x,y,z分别表示向量与x,y,z轴的夹角）
typedef struct {//纬度圈由赤道加上南北半球的各四个纬度圈共9个纬度圈组成，经度等分成10个圈 //所以用 二维数组g[9][10]来记录经纬度交点 _3D *g[9][10]; // temp[9][10]用来记录g[9][10]各点从三维变换到二维时的坐标 _2D *temp[9][10]; _3D *center; //自转中心坐标，即球心坐标 _3D *round_center; //公转中心坐标 float r; //球体半径 }Globe; //球体
float Observe_Mat[4][4],World_Mat[4][4]; //观察坐标矩阵 与世界坐标矩阵 float Sin[360],Cos[360]; //存放三角函数值的两个数组，可以减少大量的浮点运算，以提高效率 size_t Size2D,Size3D,Sizeaxle,Sizeglobe; //各结构体的尺寸 _3D *Observe; //观察者所在的位置坐标 Globe *Moon1,*Moon2,*Earth; //卫星1，卫星2，地球 三个球体 int Zangle=5; //转动角速度
//建立三角函数表 void create_table() {int i; for(i=0;i<360;i++) {Sin[i]=sin(i*PAI/180); Cos[i]=cos(i*PAI/180); } }
//初始化观察者位置 void init_observe() {Observe=(_3D *)malloc(Size3D); Observe->x=160; Observe->y=0; Observe->z=0; }
//把单位矩阵赋值给目标矩阵 void to_EMat(float mat[4][4]) {int i,j; for(i=0;i<4;i++) for(j=0;j<4;j++) mat[i][j]=0; for(i=0;i<4;i++) mat[i][i]=1; }
//把三维坐标点1的值赋给点2 void _3D_cpy(_3D *point1,_3D *point2) {point1->x=point2->x; point1->y=point2->y; point1->z=point2->z; }
//把二维坐标点1的值赋给点2 void _2D_cpy(_2D *point1,_2D *point2) {point1->x=point2->x; point1->y=point2->y; }
//初始化各结构体的尺寸 void init_size() {Size2D=sizeof(_2D); Size3D=sizeof(_3D); Sizeaxle=sizeof(Axle); Sizeglobe=sizeof(Globe); }
//初始化观察坐标矩阵与世界坐标矩阵（设定为单位矩阵） void init_Mat() {int i,j; for(i=0;i<4;i++) for(j=0;j<4;j++) {Observe_Mat[i][j]=0; World_Mat[i][j]=0; } for(i=0;i<4;i++) {Observe_Mat[i][i]=1; World_Mat[i][i]=1; } }
//矩阵1乘矩阵2得到矩阵3 void mat_mult(float mat1[4][4],float mat2[4][4],float mat3[4][4]) {int i,j; for(i=0; i<4; i++) for(j=0; j<4; j++) mat3[i][j]=mat1[i][0]*mat2[0][j]+mat1[i][1]*mat2[1][j]+mat1[i][2]*mat2[2][j]+mat1[i][3]*mat2[3][j]; }
//复制矩阵2到矩阵1 void mat_cpy(float mat1[4][4],float mat2[4][4]) {int i,j; for(i=0;i<=3;i++) for(j=0;j<=3;j++) mat1[i][j]=mat2[i][j]; }
//根据观察者位置建立观察坐标矩阵 void create_obMat() {float _2Dr,_3Dr; _2Dr=pow((pow(Observe->x,2)+pow(Observe->y,2)),0.5); _3Dr=pow((pow(Observe->x,2)+pow(Observe->y,2)+pow(Observe->z,2)),0.5); Observe_Mat[0][0]=Observe->y/_2Dr*-1; Observe_Mat[0][1]=Observe->x*Observe->z/_2Dr/_3Dr*-1; Observe_Mat[0][2]=Observe->x/_3Dr*-1; Observe_Mat[1][0]=Observe->x/_2Dr; Observe_Mat[1][1]=Observe->y*Observe->z/_2Dr/_3Dr*-1; Observe_Mat[1][2]=Observe->y/_3Dr*-1; Observe_Mat[2][1]=_2Dr/_3Dr; Observe_Mat[2][2]=Observe->z/_3Dr*-1; Observe_Mat[3][2]=_3Dr; Observe_Mat[3][3]=1; }
//三维坐标点对指定矩阵变换以得到新的三维坐标 void _3D_mult_mat(_3D *Source,float mat[4][4]) {_3D *temp; temp=(_3D *)malloc(Size3D); temp->x=Source->x*mat[0][0]+Source->y*mat[1][0]+Source->z*mat[2][0]+mat[3][0]; temp->y=Source->x*mat[0][1]+Source->y*mat[1][1]+Source->z*mat[2][1]+mat[3][1]; temp->z=Source->x*mat[0][2]+Source->y*mat[1][2]+Source->z*mat[2][2]+mat[3][2]; _3D_cpy(Source,temp); }
//把三维坐标点从世界坐标变换成观察坐标 void world_to_ob(_3D *point1,_3D *point2) {point2->x=point1->x*Observe_Mat[0][0]+point1->y*Observe_Mat[1][0]+ point1->z*Observe_Mat[2][0]+Observe_Mat[3][0]; point2->y=point1->x*Observe_Mat[0][1]+point1->y*Observe_Mat[1][1]+ point1->z*Observe_Mat[2][1]+Observe_Mat[3][1]; point2->z=point1->x*Observe_Mat[0][2]+point1->y*Observe_Mat[1][2]+ point1->z*Observe_Mat[2][2]+Observe_Mat[3][2]; }
//把三维坐标投影为二维坐标 void _3Dto_2D(_3D *_3Dpoint,_2D *_2Dpoint) { _2Dpoint->x=WIDE/2+F*_3Dpoint->x/_3Dpoint->z; _2Dpoint->y=HIGHT/2-F*_3Dpoint->y/_3Dpoint->z; }
//球体绕z轴转动后的坐标变换 void z_round(Globe *globe,int angle) {float z[4][4]; int i,j; to_EMat(z); z[0][0]=Cos[get_angle(angle)]; z[0][1]=Sin[get_angle(angle)]; z[1][0]=-z[0][1]; z[1][1]=z[0][0]; for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) _3D_mult_mat(globe->g[i][j],z); }
//球体绕y轴转动后的坐标变换 void y_round(Globe *globe,int angle) {float y[4][4]; int i,j; to_EMat(y); y[0][0]=Cos[get_angle(angle)]; y[2][0]=Sin[get_angle(angle)]; y[0][2]=-y[2][0]; y[2][2]=y[0][0]; for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) _3D_mult_mat(globe->g[i][j],y); }
//球体绕x轴转动后的坐标变换 void x_round(Globe *globe,int angle) {float x[4][4]; int i,j; to_EMat(x); x[1][1]=Cos[get_angle(angle)]; x[1][2]=Sin[get_angle(angle)]; x[2][1]=-x[1][2]; x[2][2]=x[1][1]; for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) _3D_mult_mat(globe->g[i][j],x); }
//初始化图形模式 void init_gph() {int gd=DETECT,gm; initgraph(&gd,&gm,"d:\\turboc3"); setfillstyle(SOLID_FILL,BLACK); bar(0,0,640,480); }
//开辟一个用来存放球体数据的空间，并返回头地址 Globe *create_globe() {Globe *p; int i,j; p=(Globe *)malloc(Sizeglobe); for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) {p->g[i][j]=(_3D *)malloc(Size3D); p->temp[i][j]=(_2D *)malloc(Size2D); } p->center=(_3D *)malloc(Size3D); p->round_center=(_3D *)malloc(Size3D); return p; }
//把一个角化为0-360的角，要求是它的三角函数值不变 int get_angle(int angle) {angle%=360; if(angle<0) angle=360+angle; return angle; }
//给一个三维坐标赋值 _3D *get_3Dpoint(float x0,float y0,float z0) {_3D *p; p=(_3D *)malloc(Size3D); p->x=x0; p->y=y0; p->z=z0; return p; }
//给一个轴向量赋值 Axle *get_axle(int qx,int qy,int qz) {Axle *p; p=(Axle *)malloc(Sizeaxle); p->anglex=qx; p->angley=qy; p->anglez=qz; return p; }
//从世界坐标原点平移球体到指定点（球体初始化时用） void place_globe(Globe *globe) {float tempf[4][4]; int i,j; to_EMat(tempf); tempf[3][0]=(globe->center)->x; tempf[3][1]=(globe->center)->y; tempf[3][2]=(globe->center)->z; for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) _3D_mult_mat(globe->g[i][j],tempf); }
//球体初始化 void init_globe(Globe *globe,float r,_3D *thecenter,_3D *rnd_center) {int i,j; //globe=(Globe *)malloc(Sizeglobe); globe->r=r; for(i=-4;i<=4;i++) for(j=0;j<=9;j++) {(globe->g[i+4][j])->x=r*Cos[get_angle(i*18)]*Cos[get_angle(j*36)]; (globe->g[i+4][j])->y=r*Cos[get_angle(i*18)]*Sin[get_angle(j*36)]; (globe->g[i+4][j])->z=r*Sin[get_angle(i*18)]; } _3D_cpy(globe->center,thecenter); _3D_cpy(globe->round_center,rnd_center); place_globe(globe); }
//把球体上的点从世界坐标变成观察坐标，然后再把观察坐标投影为二维坐标 void Wglobe_to_2D(Globe *globe) {int i,j; _3D *point; point=(_3D *)malloc(Size3D); for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) {world_to_ob(globe->g[i][j],point); _3Dto_2D(point,globe->temp[i][j]); } }
//用指定颜色绘制球体 void draw_globe(Globe *g,int color) {int i,j,n; Wglobe_to_2D(g); setcolor(color); for(i=0;i<9;i++) for(j=0;j<10;j++) {n=j+1; if(n==10) n=0; line((g->temp[i][j])->x,(g->temp[i][j])->y,(g->temp[i][n])->x,(g->temp[i][n])->y); } for(j=0;j<10;j++) for(i=0;i<9;i++) {n=i+1; if(n==9) n=0; line((g->temp[i][j])->x,(g->temp[i][j])->y,(g->temp[n][j])->x,(g->temp[n][j])->y); } }
//初始化 void init_start() {int i; _3D *p1,*p2,*p3,*p4; p1=(_3D *)malloc(Size3D); p2=(_3D *)malloc(Size3D); p3=(_3D *)malloc(Size3D); p4=(_3D *)malloc(Size3D); init_gph(); setcolor(RED); circle(320,240,200); init_size(); create_table(); init_observe(); init_Mat(); create_obMat(); Moon1=create_globe(); Moon2=create_globe(); Earth=create_globe(); p1=get_3Dpoint(0,100,0); p2=get_3Dpoint(0,-100,0); p3=get_3Dpoint(0,0,0); p4=get_3Dpoint(0,0,0); init_globe(Moon1,20,p1,p4); init_globe(Moon2,20,p2,p4); init_globe(Earth,50,p3,p4); draw_globe(Earth,BLUE); draw_globe(Moon1,DARKGRAY); draw_globe(Moon2,CYAN); }
//各球体随时间变化而在各自轨道上运行的动画（按任意键退出） void roll() {clock_t start,end; int angle=0; start=clock(); while(!kbhit()) { end=clock(); if((end-start)/CLK_TCK>TIME) {draw_globe(Moon1,BLACK); draw_globe(Moon2,BLACK); draw_globe(Earth,BLACK); z_round(Moon1,Zangle); x_round(Moon2,Zangle); y_round(Earth,Zangle); angle+=5; if(get_angle(angle)<180) {draw_globe(Moon1,DARKGRAY); draw_globe(Earth,BLUE); draw_globe(Moon2,CYAN); } else {draw_globe(Moon2,CYAN); draw_globe(Earth,BLUE); draw_globe(Moon1,DARKGRAY); } start=clock(); } } }
//主函数 void main() {init_start(); roll(); getch(); closegraph(); }
