C++程序使用计算机图形学绘制交通灯模拟

前言

计算机图形学是一门研究如何使用计算机来处理、生成和显示图像的学科。在程序设计中，使用计算机图形学技术可以方便地实现各种视觉效果。

在交通系统中，交通灯是必不可少的，因为它们起到控制车辆行驶和行人通行的作用。本篇文章将介绍如何使用计算机图形学技术编写一个交通灯模拟的C++程序。

实现思路

我们将使用OpenGL进行图形绘制，使用C++编写主程序。实现思路如下：

创建一个窗口，用于显示交通灯模拟的效果。
绘制一个灰色的矩形，表示路面。
绘制三个圆形，分别表示红灯、黄灯和绿灯。
不断更新灯的状态，以形成闪烁和变换的动画效果。

实现步骤

确定开发环境

在本文中，我们将使用OpenGL和GLUT库进行图形绘制，使用gcc编译器进行编译。

对于Mac OS，我们可以使用如下命令安装GLUT：

brew install freeglut

对于Ubuntu，我们可以使用如下命令安装GLUT：

sudo apt-get install freeglut3-dev

创建主程序

首先，我们需要创建一个C++文件，用于编写主程序。我们可以使用如下代码创建一个窗口：

#include <GL/glut.h>

int main(int argc, char** argv) {
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE);
    glutInitWindowSize(400, 400);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow("Traffic Light");
    glutMainLoop();
    return 0;
}

代码解析：

glutInit(&argc, argv)：初始化GLUT库。
glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE)：指定使用单缓冲窗口模式。
glutInitWindowSize(400, 400)：指定窗口大小为400*400。
glutInitWindowPosition(100, 100)：指定窗口位置为(100, 100)。
glutCreateWindow("Traffic Light")：创建窗口，窗口标题为”Traffic Light”。
glutMainLoop()：进入GLUT事件循环。

绘制路面

我们需要在窗口中绘制一个灰色的矩形，表示路面。我们可以使用如下代码实现：

void drawRoad() {
    glColor3f(0.5, 0.5, 0.5);
    glBegin(GL_POLYGON);
    glVertex2f(-1, -0.8);
    glVertex2f(1, -0.8);
    glVertex2f(1, 0.8);
    glVertex2f(-1, 0.8);
    glEnd();
}

代码解析：

glColor3f(0.5, 0.5, 0.5)：设置当前图形的颜色为灰色。
glBegin(GL_POLYGON)：指定绘制的图形为多边形。
glVertex2f(-1, -0.8)：指定多边形的一条边。
glEnd()：结束绘制。

绘制交通灯

我们需要绘制三个圆形，分别表示红灯、黄灯和绿灯。我们可以使用如下代码实现：

void drawLight(int color) {
    switch(color) {
        case 0:
            glColor3f(1, 0, 0); // 红灯
            break;
        case 1:
            glColor3f(1, 1, 0); // 黄灯
            break;
        case 2:
            glColor3f(0, 1, 0); // 绿灯
            break;
    }
    glBegin(GL_POLYGON);
    for(int i = 0; i < 360; i++) {
        glVertex2f(0.25*cos(i*M_PI/180.0), 0.25*sin(i*M_PI/180.0));
    }
    glEnd();
}

代码解析：

switch(color)：将颜色值转换为RGB值。
glBegin(GL_POLYGON)：指定绘制的图形为多边形。
glVertex2f(0.25*cos(i*M_PI/180.0), 0.25*sin(i*M_PI/180.0))：指定圆形上的一个点。
glEnd()：结束绘制。

切换灯的状态

我们需要使用一个循环来不断切换灯的状态，并更新窗口中的图形。

int light = 0; // 灯的状态

void display() {
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    drawRoad();
    glPushMatrix(); // 保存当前模型视图矩阵
    glTranslatef(0, 0.5, 0); // 将绘制原点移动到窗口中心
    drawLight(light); // 绘制红灯、黄灯或绿灯
    glPopMatrix(); // 恢复模型视图矩阵
    glutSwapBuffers(); // 双缓冲交换
}

void timer(int value) {
    light++;
    if(light > 2) {
        light = 0;
    }
    glutPostRedisplay(); // 更新窗口
    glutTimerFunc(1000, timer, 0); // 1秒钟后重新调用timer函数
}

int main(int argc, char** argv) {
    // 窗口创建代码省略
    glutDisplayFunc(display); // 注册display回调函数
    glutTimerFunc(0, timer, 0); // 注册timer回调函数
    glutMainLoop();
    return 0;
}

代码解析：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)：清除颜色缓冲区。
glPushMatrix()：保存当前的模型视图矩阵。
glTranslatef(0, 0.5, 0)：将绘制原点移动到窗口中心。
glPopMatrix()：恢复模型视图矩阵。
glutSwapBuffers()：双缓冲交换。
glutTimerFunc(0, timer, 0)：注册timer回调函数，表示不延迟调用timer函数。
void timer(int value)：回调函数，每隔1秒钟切换灯的状态。

完整代码

#include <GL/glut.h>
#include <math.h>

int light = 0; // 灯的状态

void drawRoad() {
    glColor3f(0.5, 0.5, 0.5);
    glBegin(GL_POLYGON);
    glVertex2f(-1, -0.8);
    glVertex2f(1, -0.8);
    glVertex2f(1, 0.8);
    glVertex2f(-1, 0.8);
    glEnd();
}

void drawLight(int color) {
    switch(color) {
        case 0:
            glColor3f(1, 0, 0); // 红灯
            break;
        case 1:
            glColor3f(1, 1, 0); // 黄灯
            break;
        case 2:
            glColor3f(0, 1, 0); // 绿灯
            break;
    }
    glBegin(GL_POLYGON);
    for(int i = 0; i < 360; i++) {
        glVertex2f(0.25*cos(i*M_PI/180.0), 0.25*sin(i*M_PI/180.0));
    }
    glEnd();
}

void display() {
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    drawRoad();
    glPushMatrix();
    glTranslatef(0, 0.5, 0);
    drawLight(light);
    glPopMatrix();
    glutSwapBuffers();
}

void timer(int value) {
    light++;
    if(light > 2) {
        light = 0;
    }
    glutPostRedisplay();
    glutTimerFunc(1000, timer, 0);
}

int main(int argc, char** argv) {
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
    glutInitWindowSize(400, 400);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow("Traffic Light");
    glClearColor(1, 1, 1, 0);
    gluOrtho2D(-1, 1, -1, 1);
    glutDisplayFunc(display);
    glutTimerFunc(0, timer, 0);
    glutMainLoop();
    return 0;
}

代码解析：