（机械电子工程专业论文）数控机床在线测量仿真技术的研究.pdf

丕生盔堂竺：! ：丝兰一塑兰 摘要 本文针对当前数控技术的快速普及和发展的需要，以提高数控机床在线检 测效率、精度和减少人为事故为目的，借鉴在加工过程中应用仿真系统的经验， 以v i s u a lc 抖5 0 为开发工具，利用世界上先进的三维i 訇形库o p e n g l ，开发了 数控机床茬线测量动画仿真系统。系统通过读取测量程序并对其进行编译识 别，从中提取相应的测量路径信息和被测体的形状、尺寸信息等，进而以三维 动画的形式对测量过程进行仿真，整个仿真过程受测量程序驱动。 系统主要包括：数控机床测量程序的识别编译模块，可以对测量用到的g 代码0m 代码、变量、数学表达式等进行编译、识别：测量路径和曲面插补模 块，完成测量路径的插补和曲面测量中的曲面插补；三维实体造型模块，以面 向对象思想为前提，对仿真中用到的三维实体造型功能进行封装，不仅使系统 功易于维护，而且方便系统功能的扩充；友好且功能全面的人机交互界面。、 本文对基本体( 圆柱、凸台、圆锥等) 和平滑曲面进行了实验验证，仿真 结果与测量主程序完全符合。 关键字：o p e n g l 三维动画插补编，彰 盔鲨查兰竺主丝兰 一一旦2 l 翌墨 a b s t r a c t t b i sd i s s e r t a t i o nf o c u s p so nt h er e q u i r e m e n to ft h er a p i dd e v e l o p m e n to f n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y a n da i m sa t r i s i n ge m c i e n c ya n dp r e c i s i o n o f m e a s u r e m e n t ，r e d u c i n gt h em a n - m a d ea c c i d e n t b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fu s i n gs i m u l a t i n gs y s t e md u r i n gt h ec o l l r s eo f m a c h i n i n g ，t h i sp a p e re x p l a i n sh o wt om a k eo n - l i n es i m u l a t i o ns y s t e mo fn u m e r i c a l c o n t r o lt o o l sw i t ho d e n g l a na d v a n c e dt h r e ed i m e n s i o n a lg r a p hl i b r a r ya n d l l s e v i s u a lc + + 5 0a sd e v e l o p i n gt o o l s o n - l i n es i m u l a t i n gs y s t e mf i r s tr e a dt h em e a s u r i n g p r o g r a m t h e nt r a n s l a t ea n de d i t i ta n de x t r a c ts o m eu s e f u lj n f o r m a t i o ns u c ha s m e a s u r i n gp a t h ，s h a p ea n dd i m e n s i o no ft h eo b j e c tt ob em e a s u r e d a t i e rt h a t ，s y s t e m c a l lu s et h e s ei n f o r m a t i o nt os i m u l a t et h ew h o l ep r o c e s so fm e a s u r i n gb yt h ew a yo f u s et h r e ed i m e n s i o n a lm o t i o np i c t u r e t h ew h o l ec o u r s eo fs i m u l a t i o ni sd r i v e db yt h e m e a s u r m gp r o g r a m t h es y s t e mi n c l u d e s ：n a n s l a t ea n de d i tm o d u l ef o rm e a s u r i n gp r o g r a mw h i c h c a l lt r a n s l a t ea n de d i tgc o d e ，mc o d e ，v a r i a b l ea n dm a t h e m a t i ce x p r e s s i o nw h i c ho f t e n b eu s e di nm e a s u r i n gp r o g r a m ；i n t e r p o l a t i n gm o d u l ef o rm e a s u r i n gp a t ha n dc u r v e d s u r f a c ew h i c hc o m p l e t e dt h ei n t e r p o l a t i n gw o r kf o rm p s u r i n gp a t ha n dc r e a t i n g s m o o t hc u r v e ds u r f a c et ob em e a s u r e d ；1 1 1 r e ed i m e n s i o n a l0 b i e c tm o d u l ew h i c hi s b a s e do no b j e c t - o r i e n t a t i o nj d e a i t e n c a p s u l a t e sm a n yf u n c t i o n t oc r e a t et h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c t t h i sm e t h o di sa d v a n t a g e o u st op r o t e c tw h o l es y s t e ma n dt o i n c r e a s es y s t e m sf u n c t i o n ；f r i e n d l yi n t e r f a c ew h i c hi sv e r yc o n v i e n c ef o ru s e r t l i sp a p e ra l s oe x p e r i e n c ew i t hs i m p l eo b j e c t c o m b i n e do b j e c ta n ds m o o t h c u r v e ds u r f a c e t h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ec o r r e s p o n d e dm e a s u r i n gp r o g r a m k e y w o r d s ：o p e n g l t h r e ed i m e n s i o n a lm o t i o np i c t u r e i n t e r p o l a t e t r a n s l a t ea n de d i t 丕生查兰竺! ：笙：j ! ：一竺二= _ 兰兰 第一章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 近年来，随着信息技术、计算机技术、现代电子技术等高新技术的飞速发 展，特别是计算机技术的普及和应用现代制造技术正在发生广泛而深刻的变化。 发展趋势可分为两方面：一是以提高效率为主的自动化，即通过计算机参与整个 制造过程的信息处理与控制，提高自动化程度和生产效率，缩短产品的制造周期： 二是以提高精度为主的精密化，通过现代测控手段实现超精密加工及检测。以计 算机集成制造系统( c i m s ) 为代表的各种先进制造技术受到高度重视，成为提 高产品竞争力的最有力的武器。因此，对c i m s 系统中质量监控的主要手段 数控加工中心高精度在线检测技术的研究被受关注。 制造业是一个国家综合国力的基础，世界各国越来越重视c i m s 的发展， 而c i m s 是在利用计算机进行信息集成的基础上，以支持缩短新产品研制周期、 提高产品质量、降低成本为目标的工厂综合自动化系统。是提高制造业竞争能力 的最有效技术手段。面对只趋激烈的国际市场竞争，各国制造商越来越清楚的认 识到：产品质量是企业在为市场和利润所进行的竞争中取胜的关键。 c i m s 描绘出了未来工厂的理想模式，是计算机辅助设计( c a d ) 、计算机 辅助制造( c a m ) 、计算机辅助质量控制( c a q c ) 及生产规划与控制( p p c ) 等在系统层次上的集成。随着市场环境的多样化，产品的质量保证在c i m s 中的 重要性越来越明显，质量保证技术已成为研究的热点问题。企业对与质量保证技 术密切相关的信息技术提出了更高的要求。信息技术不仅包括信息的存储、处理、 传输，更应包括信息的获取。在工业生产和科学研究中，信息的获取主要依靠传 感、检测。在c i m s 中，自动化需要检测，集成化需要检测，智能化需要检测， 自适应需要检测。 加工中心作为高技术产物和c i m s 的基础设备，应用范围越来越广。为充 分发挥加工中心的作用，必须减少设备停机时问，提高设备利用率。每当一批 零件加工时，有大量的检测工作需要完成，包括卡具和零件的装卡，找正，零 件编程原点的测定，工序白j 测量和加工完检测等。如果用千分表、卡尺等常规 量具，人工检测将占用大量的时阳j ，而且检测精度容易受到人为因素的影响， 导致设备利用率和产品加工质量降低。三坐标测量机系统( c m m s ) 是近三十 年发展起来的一种高效率的精密测量仪器，其分辨率在微米级，特别是配有计 算机数控系统，使它能够在计算机控制下自动完成许多高精度测量，但其价格 昂贵。在我国，大量的中小型企业无力购买c m m s ，仍采用些效率低、精度 丕鲨查兰塑! ：笙塞 釜= 兰篁丝。 差的陈i h 检测装置，技术水平低：即使配备了坐标测量机，仍然存在需多次装 卡、重复定位误差大及辅助时间长等问题，制约了我国加工业的发展水平。 考虑到在机测头价格较低，特别是数控机床目前广泛应用的触发式测头， 具有价格低、可靠性强、自身精度高等特点。为满足各方面的要求，很多厂商 和用户都希望在数控机床上配置各种加工精度检测设备，并在加工中心上应用 自动测量技术解决上述问题。在加工中心上直接配备测头进行在线检测以其经 济、投资少、见效快等优点得到广泛应用。除此之外，触发式测头还具有允许 超程量大，结构坚固，工作安全性高，抗干扰能力强等优点。最初的触发式测 头采用静定原理的三点布置结构，测量过程中存在一定预行程误差。以英国的 r e n i s h a w 公司为代表的新一代采用应变片技术的测头( 如r e n i s h a w t p 7 和新型的t p 2 0 0 ) ，大大减少了这些误差。使用固态技术的新型i 也n i s h a w t p 2 0 0 测头在精度、工作寿命及柔性方面取得了显著进步，将来自测头的测量不确定 度减少到原来的1 1 0 。 数控机床在线检测技术存在的主要问题是测量程序编制过于繁琐。利用加 工中心在线检测系统检测零件，首先要编制零件的检测程序，然后才能进行检 测。程序编制通常分为两大类：手工编程和自动编程。手工编程即整个编制过 程由人工完成。既繁琐费时又复杂。编程人员必须对机床及数控系统的各种指 令、代码都非常熟悉，而且还必须具备机械加工知识和数值计算能力。而且对 于不同数控系统。所用指令代码、程序段格式及其它编程规定也不同，给编程 工作带来易于混淆和出错的麻烦。在零件检测中往往会发生测头撞坏的情形。 自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照自动编程系统的规定， 编写一个零件的源程序，送入编程计算机，即可进行自动编程。但自动编程系 统目前还不完善，宏程序不够丰富，不足以应付千变力化的测量情况，而且测 量源程序的编写也可能出现错误。所以在实际测量前，用计算机上根据编制的 测量程序对测量过程进行动画仿真对确保在线测量的合理性及测量程序的正确 性有很大意义。通过对检测过程进行动画仿真，编程人员可以直观地了解测量 过程，及时改进测量方案，修征编程中的错误，避免类似碰撞干涉这样的事故 发生。 1 2 在线检测与仿真技术国i x 35 , 1 , 发展动态 仿真是在不破坏真实系统环境的情况下，用系统的模型对真实或设想的系 统进行分析、实验的技术。目前，仿真技术已受到各级政府和工业、科研部门 的普遍重视。仿真技术的应用几乎遍及国民经济的各个领域。在国际上，仿真 技术在高科技中所处的地位也同益提高。在1 9 9 2 年度美国提出的2 2 项国家关 键技术中，仿真技术被列为第1 6 项；在2 1 项国防关键技术中，被列为第6 项。 盔堡尘兰竺! 丝兰2 二二= _ 竺 甚至把仿真技术作为今后科技发展战略的关键推动力。北约组织的欧洲盟国在 1 9 8 9 年制定的“欧几里德计划”中把仿真技术作为1 1 项优先合作发展的项目 之一。在我国，仿真技术在七五和八五规划中也一直被有关军工部门 列为关键技术之一。在民用方面，制造业、民航、电力、化工等行业，对仿真 技术的需求同益增长。 9 0 年代初期，仿真技术尤其是计算机仿真在应用领域、仿真框架、仿真 目的及仿真软件等方面都发生了十分重大的改变，这种改变明显说明：计算机 仿真已经进入一个崭新的发展阶段，它的重要性与特殊功效已越来越突出。变 化主要集中在五个方面： 1 在被仿真的系统方面，己由重点是对连续系统的仿真转向对离散事件 系统的仿真。 2 在与计算机技术结合方面，已由强调并重视与人工智能相结合转向强 调与重视与图形技术及面向对象技术相结合。 3 在仿真软件方面，已出研究开发仿真语言向研究丌发一体化仿真软件 系统( 或称一体化仿真环境) 。 4 在仿真对象及目的方面，已由研究系统的动力学特性扩展为研究系统 的各种特性，包括动力学特性，运动学特性。 5 在应用领域方面，已由航空、航天领域转向制造业：1 9 9 1 年美国国家 关键技术委员会向美国总统递交了一份报告，列出了9 0 年代影响美 国国家繁荣与安全的2 l 项关键技术，建模与仿真为其中之一，而仿 真的应用领域排在第一位的是制造业。 近二十年来，计算机技术的发展给制造业带来巨大的变化，计算机集成制 造系统( c i m s ) 作为一种新的工业组织模式受到越来越多的重视。但c i m s 的投资强度大，建设周期长，结构复杂，风险也较大。因此在c i m s 需求分析、 设计、实施和运行过程中都需要进行慎重的研究、分析，有效地控制其过程。 对于c i m s 系统进行研究分析，首先要对它建立模型。建立全方位模型是最佳 结果，但由于其复杂性，建立c i m s 的全方位模型是很困难的。目酊世界上对 c i m s 的模型研究已做了大量工作，并得出许多有益的结果，如对c i m s 建立 功能模型、信息模型、动念模型，在建立模型的基础上，指导我们工作，利用 功能模型划分系统的功能模块及模块j 、b j 的相互关系；利用信息模块来确定信息 的组织及各模块问的流动关系：利用动念模块对c i m s 进行动念性能的分析。 仿真技术是对系统的动态模型进行分析的有力工具。 一个制造性企业，不论是否有计算机集成起来运行，都可视为出三部分组 成：工程系统，控制系统及生产系统。无论哪部分，研究分析其动态性能时， 仿真技术都得到了广泛的应用，在控制系统的制造资源规划( m r p l i ) 正式下 丕! 兰尘兰塑：鲨苎= 立l 丝 达之前，利用嵌入其中的仿真软件包进行动态试运行来验证规划的可行性，已 经成为十分中要的一步；在工程系统中c a d c a p p c a m 系统利用仿真进行刀 具轨迹规划与碰撞干涉检验，能够检查工件n c 码的有效性，缩短新产品开发 周期；在生产系统中，仿真技术更是得到广泛的应用，世界上已经丌发出许多 用于分析、调度生产过程的仿真软件，并用于实际生产的过程中，如美国的 f a c t o r ，德国的f a s t 等，获得了较好的效益。 生产系统是制造性企业的核心，它将完成原材料到产品推向市场的转变。 根据美国n b s 的分析，一般c i m s 系统宜采用递阶控制的组织方式，把生产 系统一般分为车间层、单元层、工作站层和设备层，构成柔性制造生产线 ( f m s ) ，每一层均接受逻辑上属于其上层所下达的命令，在命令运行完毕后， 再将其状态返回给上层，这种递阶结构在物理上通过计算机网络实现。递阶控 制系统的最终目的是使系统具有更强的柔性，合理的设备配置和车间布局是系 统获得较强柔性生产的基础，在此基础上利用仿真技术对现有设备进行合理的 调度管理，对于市场需求的多变性，产品的多样性的要求是十分重要和必要的。 在柔性生产系统实施之前，用仿真分析系统配置，分析预演系统的运行进程可 以大大减少投资的风险性；在柔性生产系统运行过程中，用仿真手段产生或验 证生产计划和调度方案，并辅之以优化，是可行而高效的。 工件在设备上的加工是c i m s 的集成与优化的最终体现，但是加工设备的 集成不仅工作量大，十分费时，而且容易出现人为事故，加之c i m s 中加工过 程的n c 代码通常是由c a d c 。a p p c a m 系统自动产生的，极有可能出现错误 而使加工过程中出现切削过量或不足，以及刀具碰撞等。利用在线仿真技术来 调试加工中心的集成，在n c 代码发给加工中心之前先在仿真加工中心上检验 能够较好地解决上述问题。 综上所述，我们可以看到仿真技术几乎渗透到c i m s 系统的各个角落。因 此对仿真技术的研究已成为发展制造业不可缺少的原动力。我国在这方面做了 大量的研究工作，并取得了可喜的进展。由清华大学自动化系及华中理工大学 机械系联合研制并开发的加工过程仿真器m p s ( m a c h i n ep r o c e s ss i m u l a t o r ) 可 为c i m s 实现加工工作站与加工中心的集成提供仿真支持环境，也可用于检验 n c 代码的正确性及加工过程的碰撞干涉，减少甚至替代试切，它能够： 实时接受工作站向实际设备控制器发出的控制信号，实时反馈仿真设 备状态； 仿真实际设备控制器的主要功能； 仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运行状态； 零件加工过程具有三维实时动画功能： 加工仿真的每一步由n c 代码驱动。 盔生查兰堡：! ：鲨苎兰_ = 二- ! 兰l 竺 当m p s 用于在线环境时，m p s 驻留的计算机系统布置在实际的系统中， 除了加工过程采用三维动画显示而不是实际的加工外，从递阶控制控制的角度 来看，它与实际的加工设备基本没什么区别。 当m p s 用于离线仿真时，还提供加工工作站监控环境的仿真，即用户可以 从键盘输入加工工作站向实际设备发出的指令以代替实际递阶控制系统的监 控。 m p s 采用结构化定义模型技术实现仿真对象的模型建立。仿真对象在这罩 指的是被仿真的加工设备、加工零件、加工零件毛坯、换刀机械手、进料设备 ( 包括推进装置或机器人) 的几何模型，运动模型及工艺模型。 目前，m p s 已实现了德国公司的t c 5 0 0 卧式加工中心( 控制器为西门子 m 8 5 0 ) ，北京机床研究所的立式加工中心( 控制器为日本法拉克公司的6 m ) 及美国辛辛那提公司的a c r a m a t i c 9 5 0 车削加工中心的设备控制器及其加工 过程的仿真。 m p s 采用三维动画显示加工过程的仿真，画面包括加工设备、刀具、换刀 机械手、进料机器人等。画面可放大， 1 3 课题的提出和研究内容 如果像对加工过程仿真一样对测量过程进行动画仿真，可以使操作者在进 行实际测量前直观地了解系统运行状况，及时发现并纠正测量程序编制过程中 出现的错误。避免事故的发生，同时还可以改进测量路径的规划，提高测量效 率，这对缩短真个产品制造周期，提高设备利用率都有重大意义。 长期以来，仿真在制造业中的应用主要集中在生产过程中，而对在线测量 过程的仿真却并不多见，这方面的相应软件更是风毛麟角。造成这种现象的原 因一方面是因为没有得到足够的重视，另一方面是因为仿真系统对硬件要求高 尤其是采用三维动画仿真，计算量十分庞大。 本文针对数控机床在线测量仿真技术进行研究，着重解决常规仿真软件无 法处理的跳步指令，结合在线测量软件，对以下内容进行了分析研究： 1 基于o p e n g l 的在线测量三维动画仿真技术。 2 测量宏程序的识别和编译。 3 基本体测量路径处理和动画构成。 4 典型空间曲面的仿真技术。 5 在w i n d o w 9 8 平台上的动画仿真软件的丌发。 6 仿真实验验证。 盔堡盔兰堡：丝兰 苎= ：兰竺坐! 竺! ! ! 盟兰丝 第二章o p e n g l 几何建模 2 10 p e n g l 简介 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是美国高级图形和高性能计算机系统公司 s g i ( s i l i c o ng r a p h i c si n c ) 开发的三维图形库，s g i 公司于1 9 8 3 年推出早期的 i r i sg l 版本以来，共发展了四个版本，o p e n g l 是基于已被i r i sg l 图形库发 展起来的，并从i r i s g l 过渡到o p e n g l 。s g i 公司于1 9 9 2 年1 1 月宣布的o p e n g l 技术范围包括i r i sg l 4 0 版中的所有功能，并把o p e n g l 设计为适合于广泛计 算环境下的三维图形应用编程界面( a p i ) ，目前它已成为开放式的国际图形标 准。 o p e n g l 与硬件、窗口和操作系统是相互独立的。为了构成一个完整功能的 图形处理系统，其设计实现共分五层：图形硬件、操作系统、窗口系统、o p e n g l 和应用软件。因而o p e n g l 可集成到各种标准图形和操作系统中。例如，操作 系统包括u n i x 、w i n d o w s n t 、w i n d o w s9 5 、d o s 等；窗口系统包括xw i n d o w s 、 m sw i n d o w s 等。 o p e n g l 被计算机工业界看作当前最先进的三维图形a p i ，它提供很强的绘 n - - 维和三维图形能力，包括基本图元、造型、着色、光照、景深、阴影、混 合、动画、明暗处理、消隐、反走样、纹理映射、图象处理等绘制功能。另外， o p e n g l 利用显示表( d i s p l a yl i s t s ) 概念引入了p h i g s 中层次结构的概念。在 o p e n g l 的a p i 顶部还设有实用程序库，支持绘制二次曲线和曲面、n u b r s 曲 线和曲面和若干其他高级图元。o p e n g l 实质上是一种多平台、高性能的三维 图形软件开发系统。 由于o p e n g l 具有图形技术和极好的可移植性，并与s g i 创立的高级几何 图形发生器相结合，促使计算机可视化技术发展到一个实时视算的新时代。目 前，o p e n g l 已被a t & t 、i n t e l 、i b m 、m i c r o s o f t 、c o m p a q 等众多公司所采用， 并被广泛应用于p c 、p o w e r p c 、工作站等各种平台上。 目前虽然已有一些a n s i 和i s o 的三维图形标准，如g k s 一3 d 和p h i g s 等， 但在技术上它们还存在很多不足，并且没有得到广泛的行业支持。o p e n g l 技 高一筹，基于o p e n g l 开发的大量三维图形应用软件系统，已广泛应用于科学 计算可视化、实体造型、c a d c a m 、仿真、图象处理、地理信息系统、虚拟 现实等领域。 丕堡盔兰堡! 笙苎 笙= 兰2 ! ! 皇三二燮 2 20 p e n g l 的基本操作 o p e n g l 被设计成独立于硬件、以流水线的方式工作，工作流程如图2 - 1 所示。工作流程的输入端可以是图像，也可以是几何图形，最终结果都是光栅 化后的图像，这些图像进入桢缓冲区后，由硬件显示在输出设备上。 对于图像，o p e n g l 先将其像素格式转换成o p e n g l 内部格式，这一工作 由“像素解包”来完成。o p e n g l 中的图像有两种用途，一种是经必要的像素 操作后直接光栅化输出；另一种是作为其他物体的表面纹理。 在o p e n g l 中，几何图元都是用顶点来描述的，每一个顶点的描述数据对 应空问坐标系中一个点的坐标。由于o p e n g l 允许用多种格式来描述顶点，因 此在处理顶点之前需要将不同格式的顶点数据格式转化成内部标准格式。对顶 点作必要的操作后，再进行光栅化，最终得到可见的图像。 o p e n g l 的所有绘图对象( 包括几何图元和图像) 即可以存储在显示列表 中( 延迟模式) ，也可以得到立即处理( 立即模式) 。 图像路径： 儿何路径 图2 - 1o p e n g li 。作流样 2 30 p e n g l 的基本功能及原理 o p e n g l 能构造和渲染物体的三维模型，生成动念逼真和可交互的真实感 图形，并进行三维图形交互软件的开发，其主要功能概述如下： ( 1 ) 模型绘制：o p e n g l 不仅提供了绘制点、线和多边形等基本形体的函数， 还提供了绘制复杂三维曲线、曲面( 如b e z i e r 、n u r b s 等) 和三维形体( 如球、 锥体和多面体等) 的函数。应用这些建模函数，可构造出几乎所有的三维模型。 ( 2 ) 坐标变换：顶点、法线和纹理坐标必须经过坐标变换才能生成图象。 o p e n g l 的变换包括基本变换和投影变换。其中基本变换包括平移、旋转、变 比和镜象；而投影变换包括平行投影和透视投影。 ( 3 ) 颜色模式设置：o p e n g l 提供两种颜色设置模式，即r g b a 模式和颜 色索引模式。 天津人学坝士论文第一苹o pe n g l 几1 可建模 ( 4 ) 光照和材质设置：o p e n g l 可设置四种光，即发射光、环境光、散射光 和反射光；而材质用模型表面的反射特性表示。 ( 5 ) 图象功能：o p e n g l 不仅提供了底层像素拷贝和读写等操作的函数，还 提供了反走样、融合和雾化等增强图象效果。 ( 6 ) 纹理映射：o p e n g l 纹理映射的功能可十分逼真地在现物体表面的细节。 ( 7 ) 实时动画：利用o p e n g l 的双缓存( d o u b l eb u f f e r ) 技术可获得平滑的 动画效果 ( 8 ) 交互技术：o p e n g l 提供方便的三维图形交互接口，可进行人机交互操 作。 下面将对其中最重要的几个功能进行介绍。 2 3 1 模型绘制 尽管利用o p e n g l 能绘制复杂的三维画面，但它们大多是由点、线、多边 形这样的几何图元组成，所以掌握这些几何图元是使用o p e n g l 的第一步。 点、线的绘制 o p e n g l 中的一个点是用一组浮点数来描述的，这组浮点数就是该点在空 间坐标系中的坐标，数学上的点是没有尺寸的，但显示一个点必须有大小。 o p e n g l 点的缺省尺寸为1 0 表示其大小为l 1 个像素。o p e n g l 用g l v e r t e x 0 函数来指定顶点。用g l p o i n t s i z e 0 函数来指定点的尺寸。线的种类有三种：线 段，折线和封闭线。线段是由空问两个点决定的，折线和封闭线是由组成它们 的各条线段的系列端点共同决定的。o p e n g l 用g l l i n e w i d t h 0 控制线宽，同时 还可以通过函数控制线形。 多边形的绘制 o p e n g l 中的多边形是由一系列线段连接而成的封闭区域。o p e n g l 合法 的多边形必须是凸多边形，否则不能正确处理和画出。与数学上的多边形不同， o p e n g l 的多边形有前面( f r o n t ) 和背面( b a c k ) 之分。根据约定，将按 逆时针方向定义顶点的多边形成为前面，反之为背面。显示时，不同的面朝向 观察者，可用g l f r o n t f a c e ( m o d e ) 函数控制前面的定义，默认时m o d e 耿 g lc c w ，表示逆时针顶点前面构成的多边形为前面。当m o d e 是g lc w 时 则将按逆时针方向的顶点构成的多边形当作前面。对于由多边形构成的三维物 体，由于其背面是不可见的，所以可以让o p e n g l 放弃背面的绘制来提高绘图 效率选择绘制面的函数是g l c u l l f a c e 0 ，并通过g l e n a b l e ( g lc u l l f a c e ) 使之 生效。 除了点、线和多边形外，对一些常用基本体，o p e n g l 还提供了辅助函数 库，可以根据形状参数直接将其绘出。 墨堡查堂堡主笙壅 兰三立l 生三坐翌二生塑坐 2 3 2 坐标变换 o p e n g l 的场景：实际就是它的物体空间，物体空问使用的坐标系又称为世 界坐标系，它遵循右手定则。缺省时，x 轴指向窗口右方，y 轴指向上方，z 轴指向操作者，坐标系的坐标度量与闩常生活的长度没有直接关系，仅表示同 一场景中不同物体间的大小对比关系。 图3 - 2 剀像输山过科 从o p e n g l 流水线输入端的三维几何图元到输出端的最终二维图像，中问 要经过一系列变换图3 2 说明了这一过程。 ( 1 ) 模式变换。对已建立的几何模型进行一系列变换，目的是将模型放置 在场景中合适的位置。 ( 2 ) 视点变换。对于一个三维场景，选择不同的视点会得到不同的图像。 视点变换的目的是选择一个合适的视点以获取所需的视觉效果。 在o p e n g l 中，模型变换和视点变换使用同一个变换一一模视变换 ( m o d e l - v i e wt r a n s f o r m a t i o n ，又称几何变换) 一次完成。模视变换包括平移变 换( t r a n s l a t e ) 、旋转变换( r o t a t e ) 和缩放变换( s c a l e ) 等三种。 ( 3 ) 投影变换( v r o j e c t i o n ) 。投影变换的目的是三维场景中的物体到二维平 面( 即图像输出窗口) 上的投影方式。投影方式有透视投影和平行投影两种。 透视投影基本符合人类的视觉习惯，同样尺寸的物体离视点近的比离视点远的 大，远到极点即消失。j 下如不能聚焦到非常近或非常远的物体一样，透视投影 有两个剪切面近剪切面和远剪切面，分别将离视点太近或太远的物体全 。磊 。 、righnear j ，3 幽3 - 3 透视投影示意图 9 圣兰盔兰丝! ：笙兰 竺三主竺坠兰皇土二坐 部或部分地切掉。为了达到上述投影效果，透视投影的取景体被设计成一个截 去了顶的四面锥体，因此取景体又称观察锥，如图3 3 。这种投影方式与人类 眼睛的工作方式相似，因此常被用于动画、视觉模拟等场合。 平行投影的取景体是一个封闭的平行六面体。如图3 - 4 与透视投影不同， 从一端到另一端，取景体的大小不改变，因此同样尺寸的物体，离视点不论远 近，大小不变。这类投影被广泛应用于c a d 等领域。 酗3 - 4 平行投影示意图 ( 4 1 视口选择( v i e w p o r t ) 。决定最终图像的尺寸及其在窗口中的位置。视 区变换类似于照片冲洗过程中的照片剪裁，图像的所有顶点都已经过模式变换 和投影变换，并且位于取景体之外的图像都已被剪掉了。视区函数是 g l v i e w p o r x t ( x ，y , w i d t h ，h e i g h t ) ，参数x 和y 表示视区左下角的坐标，w i d t h 和h e i g h t 表示视区的宽度和高度。视区的宽高比应和投影取景体的宽高比相同，否则会 造成图像变形。 2 3 3o p e n g l 的颜色和光照 在一个拥有彩色屏幕的计算机上，硬件会根据需要是屏幕上的每个像素发 出不同亮度的红、绿、蓝光，这些光的亮度值分别称为r 、g 、b 值。它们通 常被封装在一起，称为r g b 值( 有时还有第四种值a a l p h a ，用于控制融合效 果，封装后称为r g b a ) 。每个像素的颜色信息可以保存为r g b a 模式，也可 以保存为颜色索引模式。在r g b a 模式中，每个像素都保存其r 、g 、b 、a 的分量值；在索引模式中，每个像素只保存个值即颜色索引号。系统有一个 颜色对照表，该表存储每一个颜色索引号对应的r 、g 、b 、a 值，进行颜色处 理时，通过索引号查找该表，就能获得该索引号对应的r g b 值。 一个物体最终显示出来的颜色既受本身颜色的影响，也受它所受光照的影 响。o p e n g l 用一种近似的光照模型来模拟现实世界的光照效果。o p e n g l 光 照模型将光线细分为四个独立的组成部分：发射、环境、散射和反射光。所有 这四部分都单独计算，然后加在一起。 ( 1 ) 发射光：( e m i r e dl i g h t ) 它是物体自身发出的光线，不受任何光源的影 0 天津夫学颂i 论史第一章op e n gl 几何建模 口i 对。 ( 2 ) 环境光：( a m b i e m tl i g h t ) 它是一种被环境多次反射的光线，以至于连 初始方向都无法确定。这种光线看起来就象来自所有方向，当它照在一个物体 表面时，它在所有方向上等量反射。 ( 3 ) 散射光：( d i f f u s el i g h t ) 它来自于某个方向。受它直接照射的物体表面 比仅被它扫过的物体表面要亮。一旦它照射到物体表面，无论在何处观察，其 亮度都相同。 ( 4 ) 反射光：( s p e c u l a rl i g h t ) 反射光线来自某个特定方向并在某个特定的 方向上反射的光线。对准一面高质量的镜子的激光束的反射几乎产生1 0 0 的 镜反射，光泽金属或塑料产生高镜反射，而粉笔和地毯几乎没有镜反射。 o p e n g l 允许为光线的各组成部分单独设置它们各自的特性。每一种特性 都用r g b a 来描述。表示该光线中的r 、g 、b 、a 个分量的强度及a l p h a 分 量的值。例如，若一种光的颜色的r 、g 、b 的值均为1 0 ，则这种光是最亮的 白色；若都是o 5 ，则该光线为中等强度的灰色。 光源有许多特性，如颜色、位置、方向等。不同特性的光源作用在物体上 的效果是不一样的，定义一个光源的主要工作就是定义它的各种特性。在 o p e n g l 中，用函数g l l i g h t ( ) 来定义光源，对该光源的各项特性进行设置。 位置：根据需要可以为场景定义一个距场景无限远的光源，或者定义 一个离场景较近的光源，前者称为方向光源，后者称为位置光源。对于一个无 限远的方向光源，光线到达物体时可以看成是平行的。 衰减：光线的强度随光源距离的增加而减少。由于方向光源是无限远 的，随距离增加而衰减其强度是无意义的，因此对方向光源不进行衰减处理。 对于位置光源，o p e n g l 使用衰减因子来衰减光线的强度。 衰减因子2 瓦南 其中，d 为光源位置到物体顶点问的距离，k ，为常数衰减因子，默认值为 1 0 。屯为线性衰减因子，默认值为0 0 。k ，为二次衰减因子默认值为0 0 。 聚光：缺省情况下，光源的光线向四周发射。可以用g l l i g h t 0 函数将 光线发射范围限制在一个圆锥内，从而达到类似聚光灯的光照效果。o p e n g l 除了可以设定圆锥的角度还可以设定聚光灯的方向。 2 3 4 动画功能 在图形系统上显示动画是o p e n g l 的一大特长，众所周知，电影运动画面是由 一系列静止的画面组成，即将画面以每秒2 4 帧的速度投影到屏幕上。而制作 运动图像的关键之处是当它显示时每一帧都需要彻底重画，清除窗口和会制帧 盔鲨查兰堡! ：笙兰 塑三兰2 1 ：! 竺兰：! ! ! 竺堡 画面都需要而外的系统开销时间，该时问于1 2 4 秒的接近程度将直接影响系统 的现实性能。如果整个绘制时间接近1 2 4 秒，第一帧画面显示后，在下一帧画 面显示前都需要不断被清除，因而会有不稳定的闪烁感。原因是在1 2 4 秒的多 数是建里你眼睛看到的事清除了背景的图像而不是绘出来的画面。 o p e n g l 提供了解决这一问题的基本方案是双缓冲机制s w 印b u 艉r ， 用硬件或软件来提供两个完整的颜色缓冲区，一个显示时另一个用来绘制。当 绘制帧完成后，两个缓冲区相互交换，原来显示的缓冲区现在用来绘制下一个 画面。使系统有充分的时间绘制和显示一帧画面。在o p e n g l 双缓冲机制下的 动画可以达到十分流畅的显示效果。 2 4 基于0 p e n g l 的数控机床在线测量仿真技术 o p e n g l 出于其在3 d 图形动画中的卓越表现而被广泛接受，但是它独立 于窗口系统、操作系统和硬件的移植性特点，也造成了在特定环境使用时接口 的复杂性。m f c ( 微软基础类库) 是p c 机上m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统中广 泛应用的应用程序开发环境，其强大的界面功能则弥补了o p e n g l 的不足。下 面对在v c 5 0 操作平台上开发m f c 与o p e n g l 相结合的的数控机床在线测量 仿真技术原理进行介绍。 2 4 1 基于w in d o w s 操作系统的0 p e n g l 的实现原理 1 基于w i n d o w s 的o p e n g l 像素格式 帧缓冲器是o p e n g l 所能用到的颜色缓冲器、深度缓冲器和累积缓冲器的 总和。其中，颜色缓冲器中的像素数据要么是对应于颜色索引表中的索引值， 要么是像素的r g b a 颜色值；深度缓冲器中包含的是像素的深度信息，相同位 置上深度值小的将覆盖深度值大的像素：累计缓冲器用于把多幅图像综合成一 幅图像。为了有效使用这些缓冲器，必须指定某种像素格式。 每个o p e n g l 窗口都有一种像素格式，它是给定窗口上实际格式的描述， w i n d o w s 窗口支持2 4 种不同的像素格式，每种格式包括以下四个部分：最主 要的部分是每像素比特数( b i t sp e rp i x e l ，b p p ) ，可以有五种取值：3 2 、2 4 、1 6 、 8 、4 b p p ；第二部分是像素类型：r g b a 或颜色索引表；第三是缓冲器类型： 单缓冲器或双缓冲器；第四是深度缓冲器的比特数：3 2 或1 6 b i t s 。这样共有4 0 种像素类型，但是因为有1 6 种从双缓冲器转换到位图是没有意义的，从而被 废除。实际应用中可以使用上面预设的2 4 种模式，也可以使用自定义模式并 寻求最佳匹配。 2 着色描述表( r e n d e r i n gc o n t e x t ，r c ) o p e n g l 中的着色描述表与w i n d o w sg d i 中的设备描述表( d e v i c e 丕鲨查兰塑! ：笙兰 兰= 主21 ：! 旦三上! l 三兰丝 c o n t e x t ，d c ) 是等价的。具有相同的意义。着色描述表是o p e n g l 命令给设备 着色的入口，用来存储o p e n g l 的状态变量，以保存当前的状态设置。着色描 述表一般包括以下几个部分：o p e n g l 驱动程序句柄，窗口客户区旬柄，当前 像素格式索引号，与着色描述表相连的设备描述表旬柄等。与d c 的作用类似， 必须先获取r c ，爿能用o p e n g l 命令在r c 上绘图。 3 构造自己的o p e n g l 视类 前面分析了o p e n g l 在w i n d o w s 操作系统中的实现原理，现在讨论o p e n g l 视类的实现方法。 在w i n d o w s 应用程序中即m f c 中使用o p e n g l ，必须注意以下几点： 设置f 确的窗口风格；设置像素格式；创建着色描述表；响应w m s i z e 、 w mp a i n t 、w me r a s e b a c k g r o u n d 等消息；程序结束时销毁r c 和 d c 。以上任意一步执行错误，得到的都将是空屏。下面对具体说明其实现方法： f 1 ) 设置正确的窗口风格 打丌m f c 编程： 作环境，派生出从m f c 基类c v i e w 继承的视类，命名 为c o p e n g l v i e w 。第一步是定位p r e c r e a t e w i n d o w 函数，确认创建的窗口具有 w mc l i p s i b l i n g s 和w mc l i p c h i l d r e n 风格，并且不能有c sp a r e n t d c 风格。这是因为o p e n g l 窗口具有自己的像素格式，仅仅为该窗口客户区生成 的d c 才能绘制到窗口上。由于w i n d o w s 不能自动地从父窗口客户区剪裁子窗 口，如果父窗口与子窗口有重叠区则绘制在子窗口上。如果子窗口被剪裁，则 子窗口上的内容就可以被保留。带有c sp a r e n t d c 风格的窗口将接受系统默 认的d c ，这些d c 不适于o p e n g l 着色。p r e c r e a