（计算机应用技术专业论文）基于opengl的三维展览应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r 8 c t s l ti sa l w a y so u rt a r g e tt os i m u l a t et h es c e n ea n df u n c t i o ni n r e a 】i t yl i f ew i t ht h ec o m p u t e r a c c f ) r d i n gt ot h es h o r t c o i 】 i n go f t r a d i t i o ne x h i b i t i o n ，an e ww a vw a sf o u n dt os h o wt h ee x h i b i t si nt h i s t h e s i s ： i ti s3 de x h b l i o n ( t h r e ed m e n s i o n a le x h i b i t i o n ) t h e e x h i b i t sa n ds c e n e sw e r es i m u l a t e da s3 dm o d e l si n3 d e x h i b i t i o n t h e 3 d 难o d e l sc a nb eo d e r a t e db vt h evis i t o r si nr e a lt i m c i t i sv e r v c o n v e n e n tt os h o wt h ee x h i b i t si n ( 1 jf f o r e n td l a c ea n di ni n t e r n e l ， r e l a t i v et ot h et r a d i t j o ne x h i b i t i o n t h ep r o c e s s i n go f 3 dg r a p h i c s a n d3 d e x h i b i t i o nb vc o m d u t e rw a sr e s e a r c h e di nt h i st h e s js a sa r e s u l ta ne x a m d l eo f3 d e x h i b i t i o nw a sr e a l i z c d t om a k eah i g hr e a l i t ys c e n e ，f i r s tt h em e t i c u l o u sm o d e lsm u s tb e c o n s t r u c t e d ， t h e nt h em o d e l sa r es m o o t hs h a d e da n dt h ec 0 1 0 ra n d t e x t u r ea r ea d d e d ，f i n a l l yt h el j g h ta n dm a t e r i a la r ep r o c e s s e df nt h e w h 0 1 es c e n e p r o f o u n dk n o w l e d g eo fm a t h e m a t i c sa n dm a t r i xo p e r a t i n g w e r en e e d e dt os i m u l a t et h es c e n e si nh j g hr e a l il y ，a n di ti sd i f r i c u l t t op r o g r a mi tf r o mb o it o md i r e c t l y i t ，fsv e r yp o w e r f u liyi nt h ea r e a o fv i s u a l i z ea n dc r e a l eh i g hq u a l i t y3 dg r a p h i c a lb a s eo n0 p e n g l a s e r a lf u n c t i o n sa n dg o 。dc o n d i t i o n sw e r ep r o v i d e dt os i m p l j f yt h e p r o c e s so f3 dg r a p h i c s nd e v e l o p3 dg r a p h ic sb a s e do n0 p e n g l b u tt o r e a l i z ei tw eh a dt od om a n yc o m p l i c a t e dp r o g r a 哦m e d t h ek e yt e c h n o l o g y o f3 dg r a p h i c sw a sr e s e a r c h e da n dh o wt or e a l i z et h e mi nt h ist h e s is a ne x a m p l eo f3 d e x h i b i t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do no p e n g la n d v c + + n e ti nt h i st h e s i s ah i g hr e a l i t ys c e n ew a ss i m u l ac e ds y n t h e s i z e t h el i g h tt e x t u r ea n dm a t e r i a li nt h ee x a m p le s o m et e c h n 0 1 0 9 yo f i n t e r a c t i v eo p e r a t i n ga r er e a ljz e d s o m ep r o f e s s i o n a l3 dt 0 0 1sw e r e u s e dt oc o n s t r u c tt h em o d e l s t h em o d e l sw e r es a v e da s3 d sf i ef o r m a t t h ef o r m a to f3 d sw e r ea n n ly z e da n ds t u d i e d ，a n dt h o nt h ed a t ao fm o d e l s w h i c hw en e e din3 d sf i l ew e r er e a da n dc h a n g e dt ool l ro w nd a t as t r l l c t u r e w i t ht h ep r o g r a m m i n g i ti so n eo ft h ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e so fr e a l t i m e d i s p l a ya n di n t e r a c t i v eo p e r a t i n gi nt h ee x a m p i eo f3 d e x h i b l1j o n t h e f u n c t i o n so fd y n a m jcd is p l a ya n dt h ei nl e r a c t i v eo p e r a t i n go f w a n d e r i n g ，r e v o l v i n ga n ds c a l i n g e r er o a l i z e dt h r o u g ht h e p r e t r e a t m e n ta n dd o u b l eb u f f e r si nt h ee x a m p 】e k e yw o r d s ：o p e n g l ；3 d d e l s ；3 d sf i l ef o r 腿t ； i n t e r 8 c t i v eo p e r 8 t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 ，1 引言 第1 章绪论 自从第一个展览会于1 8 5 0 年在英国伦敦诞生以来，已历时1 5 0 多年历史。 随着市场经济的不断发展和完善，尤其是科学技术r 千单的进步所带来的 新产品和新技术，借用展览会的形式推广，起到了事半功倍的效果。甚至j ： 企业文化和理念倍受重视的现代社会，更赋予展览会传播企业文化，树立企 业形象的重要使命。展览业对经济的发展起着极大的推动作用，这主要表现 为二个方面，一是展览会不仅仪是厂家和商家洽谈的桥梁，它更是一个信息 聚合体，展览的过程就是一个信息无形的汇集、加工、处理、输出的过程， 往往这样的信息输出带有明显的行业发展趋向指示；二是展览会活动能直接 带动地区的经济发展。在f 1 常生活中，传统的展览大致可以分为以卜三种： l 、实物展览。现实生活中的汽车、家电、i t 产品、文物等经常以该种 方式进行展览。通过实物展览是最直观的，叮以方便从各个角度对实物进行 观察、而且还可以进行实际操作。但是当实物的体积、重量超过一定程度时， 实物展览在不同地点迸行不是很方便。有时还得对实物采取严格的安保措旌， 另外参观者必须赶赴现场才能参观。 2 、模型展览。现实生活中的房地产、航天航宅、土木工程设计、珍贵文 物等经常以该种方式进行展览。模型展览通过对实物的等比例或缩放制作的 模型来进行展览，具有实物展览的螋特点，山于模型只是实物的复制品， 比实物更方便地在各地进行展览。 3 、图片展览。这是现实生活中最常见的一种展览，通过对实物的摄像进 行展览，由于体积小，浚方式极方便地在各地进行展览。另外还可以方便地 在互联网上进行展览。 随着展览在人们生活中的地位越来越重，参展方可以起到产品和市场的 推广作用，而参观者可以了解到更多的新技术与新产品，为他们提供更多的 选择机会。然而参展是一项极为复杂的系统工程，受制因素很多，从制定计 划、市场调研、展位选择、展品征集、报关运输、客，1 邀请、展场布置、广 告宜传、组织成交直至展品回运，形成了一个互相影响互相制约的有机整体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 如何实现展览的多样化，让参展方能方便、有效地进行产品展示；让参观者 方便地进行参观与交流，这是人们一直寻找和探索的问题。 1 2 研究背景 计算机图形学已经进入三维时代，三维图形在人们周围无所不在。诱人 的计算机广告、扣人心弦的三维游戏、声势浩大的影视特效，无一不是三维 图形大显身手的得意之作。科学可视化、计算机动画和虚拟现实己成为近年 来计算机图形学的三大热门话题，而这三大热门话题的技术核心均为三维图 形处理。g o o g l ee a r t h 是其中的代表作之一，该软件不仅能通过网络下载察 看世界各地卫星影像地图，清晰的看到地面的汽车甚至行人，同时还能以三 维方式显示地形。图卜1 显示的为贡嘎山冰川三维地形图。 图卜2g o 0 9 1 ee a r t h 中的三维地图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 针对传统展览的种种不足，人们”始在i n t e r n el 上进行产品的展览，但 是这种号称永不落幕的展览却很难吸引人们的注意。究其原因，。是网上展 示的大多是展品的照片，不具有三维可视化效果；二是不能进行交互式操作， 很难对展品从整体上或细节上进行多角度的观察。利用计算机强大的图形处 理功能与i n t e r n e t 电子商务功能相结合实现产品的展览，便能弥补以上的不 足。为与传统的展览和一般的网上展览相区别，将其称为三维展览，鼍维展 览具有以下特点： 1 、利用电脑代替或部分代辞实物进行展览，也可以在网上展出； 2 、能以逼真的三维图形效果最示展品； 3 、允许参观者对三维图形进行交互式操作、甚至模拟实物操作； 4 、同时能了解展品的规格、性能以及价格、购买指南等商务信息。 而利用计算机模拟的三维真实感图形来代替现实生活中的实物、模型、 图片展览也变得可行。 1 3 研究内容 由上可知，进行三维展览大致可以分为展品乏维图形模拟、性能介绍以 及电子商务三个方面。目前展品的性能介绍与电予商务部分已十分成熟，很 容易实现。而主要部分为展品的三维图形处理，即展品的三维可视化，也是 本课题研究的重点。然而展品的三维呵视化并不是件轻松的事情，一方面 三维图形的生成对计算机硬件的要求较高，另方面i 维图形的制作与生成 是一个相当复杂的过程。如何生成具有真实感兰维展品模型并对其进行交互 操作是进行三维展览的关键。 本课题研究其主要内容有： 1 、三维真实感图形基础与0 p e n g i ，。如何通过二维平面显示逼真的三维 图形效果，包括三维物体的几何建模、三维变换的实现、真实感图形基础。 直接从底层编程来进行i 维图形处理涉及大量的矩阵运算，在o p e n g l 的基础 上进行开发则可以将主要精力集中于i 维图形的绘制与交互操作，而复杂的 矩阵运算通过直接调用o p e n g l 相关函数来完成。 2 、三维展览的模型制作与转换。三维模型由基本的点、线、面构成的， 如果直接进行绘制将是一件浩大的工程。而采用a u l o c a d 、3 dm a x 。具来绘 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章三维展览概述 本章首先介绍了二维展览的基本构成，然i 舌阐述了三维展览的特点、与 传统展览及其它计算机可视化的区别，最后说明了= 维展览的设计思路与实 现步骤。 2 1 三维展览的构成 三维展览由一定的计算机软、硬件构成。硬件是计算机处理三维图形与 显示的基础，软件则是。维展览的灵魂。 2 1 1 兰维展览硬件构成 三维展览主要部分为j 维真实感图形的生成l 交互操作以及实时妊示， 对计算机的软硬件要求较高。硬件部分主要自图形显示设备、图形显示卡、 图形输入输出设备。 l 、图形显示设备。作为三维展览的载体，图形显示设备为展览的显示部 分，是直接商对参观者，其娃示效果的好坏直接影响到t 维展览的效果。现 在的图形显示设备绝大多数为基于阴极射线管的监视器( ( ：灯) 。7 0 年代刀 始出现的刷新式光栅扫描显示器是图形显示技术走i q 成熟的一个标志，尤其 是彩色光栅扫描显示器的m 现更将人们带到一个多彩的世界。光栅显示器叮 以看件是。个象素的矩阵，在光栅显小器上显示任何一个图形，实际上都是 一些具有一种或多种颜色象索的集合。虽然f 1 前的波品显示器( l c d ) 在显示 效果上和传统的( ：r t 显不器仍有一定的差距，但是山丁它的众多优点，大有 后来居上的势头。 2 、图形显示卡。个光棚显示系统离不，f 图形处理器，图形处理器是图 形系统结构的重要元件，是连接计算桃和显示终端的纽带。 随着电子技术的发展，显卡技术含量越来越高，功能越来越强，许多专 业的图形卡已经具有很强的3 d 处珲能力，而且这些3 d 刚形卡也渐渐地走向 个人计算机。一个显卡的丰耍配件有显示主芯片、显不缓存( 简称显存) 、 数字模拟转换器( r a m d a c ) 。显卡 作原理见图2 一l ， 数字模拟转换器( r a m d a c ) 。显卡 作原理见图2 一l ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2 三雏晨览软件构成 由于现在的微机操作系统大都采用微软公司的视窗系统，视窗系统具有 良好的图形界蕊和易操作性，本课题的软件开发环境为： 操作系统：w i n d o w sx pp r o f o s s o r 编译坏境：v i s u a lc 十+ n e t2 0 0 3 图形库：o p e n g l 三维展览是采用三维图形方式替代实物展出，冈此也应该具有般展览 的功能，如产品的展示、性能介绍、商务功能等。具体来说由三部分构成： l 、产品展示。通过具有逼真三维效果的场景模拟展品进行展览，允许参 观者对三维场景进行人机交互操作，0 i 仅可以对展品进行漫游、旋转、缩放 等操作，还能进行交互式的部分个性化设计。参观者能从感观上形成对展品 的初步印象和感兴趣程度。 2 、性能介绍。对展品的型号、规格、性能、特点等进行介绍，与其它 产品的比较。参观者能更加深入地了解展品。 3 、商务功能。如产晶的价格、订单操作、客户服务。如果参观者决定 购买产品或具有购买意向，则通过商务功能可以架起彼此之岫j 的桥梁。 2 2 三维展览的特点 三维展览与传统展览的区别： l 、三维展览更为经济有效，传统的展览首先要携展品赶赴展览地点、租 用展厅、布置展厅与展品、展览结束后要将展品运回。如果展品的体积和重 量超过一定程度时，更是难卜加难，而采用三维展览则方便得多。 2 、三维展览可以方便地进行个性化选择。现在人们已经厌倦了t 篇 律的面孔，对产品的个性化要求越来越高。传统的展览由于场地限制，不可 能将同一件产品做成数个个性化展品来进行展出。如展示一套沙发，除样品 外其余样式只能通过图片或颜色进行挑选，而参观者很难从，j 、块颜色或图 片来满足他们所需的个性化产品的需求。如果采用三维展览这些问题将迎刃 而解。 3 、三维展览参观人数更多。三维展览叮以与实物展览相辅相成，还可 以通过网上展示。传统展览出于要赶赴现场才能看到展品，并且在一个地方 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 只能进行有限时间的展览。由于受到时间和地点的限制，只有一定数量的参 观者能到现场参观。而三维展览突破了时空限制，能在网上展览，参观人数 远远超过传统展览。 三维展览与一般网络展览的区别： l 、一般网络展览采用图片、文字方式，不具有立体视觉与三维效果。 2 、采用f l a s h 制作的动画，效果比单纯的图片好，但立体效果并不明 显。 3 、采用3 d m a x 等三维制作工具制作的效果图，具有良好的三维效果， 但是它是静止的，一般是设计者按最佳视角呈现展品最好的面，参观者不 能从其它角度进行观察。 4 、采用3 d m a x 等三维制作工具制作的三维动晒，能按设计者预先设定 的关键帧进行动画演示，具有较高的一二维展示功能，如可以设定从不同角度、 远近对展品进行观察。但是并4 i 具备人机交互功能， i 能与参观者进行互动。 2 3 三维展览的设计思路与实现 科学研究证明，人类感知外界的信息，8 0 以i 二是依靠视觉获得的，因此， 对人类视觉的研究，尤其利用计算机进行图形图像处理在信息处理中尤为重 要。”三维展览的主要部分为三维图形处理，也是本文研究的重点。 1 、展品的三维建模。模型绘制得越精致，能吸引到更多的参观者，从而 引起参观者对展品更大的兴趣。很难想象一个简单、粗糙的模型会引来参观 者。如果直接用编程的方法来绘制展品模型，对于简单模型可以实现，如果 模型很精细，由成千上万个三角形构成，则基本上是不可能由程序直接绘制。 现在有很多三维制作工具，如3 d m a x 、a u t o c a d 等，采用它们来制作三维模型 不仅能方便地进行三维建模，还能按照我们的要求修改、察看渲染效果。 2 、展品的动态碌示。经过专业的三维制作工具建模，可以保存为通用 的3 d s 文件格式。为了f 确显示已经制作好的三维展品模型，通过对3 d s 文 件结构的分析，读取我们所需要的数据，并保存为自定义的数据格式。然后 通过编程来读取自定的三维模型数据并显示，为添加真实感效果，在显示三 维模型的同时加入灯光、材质、纹理等效果。显示模块还应提供良好的接口， 以方便人机交互操作的实时动态显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 、 展品的交互操作。三维展览的优势之便是能方便地进行人机交互 操作。通过人机交互，参观者可以从多个角度、远近、对展品进行观察，还 可以调整大小，对展品从整体或细节上对展品进行欣赏，甚至自助进行个性 化的产品设计。 三维展览的实现。按上述设计思路，除建模部分利用专业的二维制作工 具外，其余部分采用v c + + ，n e t 与0 p e n g i ，强大的三维图形处理功能编程实现。 具体步骤如图2 2 所示。 材质、灯光、纹理效果 3 d m a x 、c a d 建模 保存为3 d s 文件 读取所需要的数摧 转化为自定义数据 主羔譬篓卜七巫 实时砬_ ii 。 特殊效果 图22 三维展览的设计思路与实现步骤 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章三维图形学基础与o p e n g l 概述 三维展览的主要部分为真实感三维图形的生成与显示。如何在_ 维平面 上显示三维图形效果是首要问题，出丁生成三维真实感图形需要较深的数学 知识( 三角学、线性代数、微分几何等) 。本章首先讲述了三维模型的几何 造型技术和真实感图形学方面的基本知识，然后介绍了三维变换的相关知识， 最后简要介绍了三维图形开发工具o p e n g l 。 3 1 几何造型 3 1 1 几何造型的构成 任何简单或复杂的三维模型在计算机中都是由基本的点、线、面构成， 具体来说，表达形体的基本拓扑实体包括项点、边、环、面、体五种。 l 、顶点。顶点的位置用点柬表示。三维空闻中的点用二元组 x ，y ，z ) 表 示。n 维空间中的点在齐次坐标下用n 十1 维表示。点是几何造型中的最基本 的元素，自由曲线、睦磋或其它形体均可用有序点集束表示。用计算机存储、 管理、输出形体的实质就是对点集及其连接关系的处理。 2 、边。边是两个相邻面的交集，边有方向，它由起始顶点和终止顶点来 界定。边的形状由边的几何信息来表示，目。以是直线或曲线，曲线边可用一 系列控制点来描述，也可用显式、隐式或参数方程柬描述。 3 、环。环是有序、有向边组成的封闭边界。环中的边不能相交，相邻两 条边共享一个端点。环有方向、内外之分，外环边通常按逆时针方向排序， 内环边通常按顺时针方向排序。 4 、面。面由一个外环和若干个内环来表示，内环完全在外环之内。面有 方向性，一般用其外法矢量方向作为该面的f 向。若一个面的外法矢量向外， 称为正向面；反之，称为反向面。面的形状山面的几何信息来表示，可以是 平面或曲面，平面可用平面方程来描述，曲面呵用控制多边形来描述，也可 用曲面方程来描述。 5 、体。体由多个丽组成，是面的并集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 1 2 几何造型的分类 在几何造型中，描述物体的三维模型有三种，即线框模型、表面模型和 实体模型。 1 、线框模型。线框模型是最早用来表示物体的模型，计算机绘图是这种 模型的一个重要应用。线框模型的缺点是明显的，它用顶点和棱边来表示物 体，由于没有面的信息，不能表示表面含有曲面的物体；另外，它不能明确 地定义给定点与物体之间的关系，如点是在物体内部、外部还是在表面上。 2 、表面模型。表面模型在线框模型的基础上，增加了物体中面的信息， 用面的集合来表示物体，而用环来定义面的边界。表面模型扩大了线框模型 的应用范围，能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图等需要。但在该模 型中，只有一张张面的信息，物体究竟存在于表面的哪一侧，并没有给出明 确的定义，无法计算和分析物体的整体性质，如物体的表面积、体积、重心 等，也不能将这个物体作为一个整体去考察它与其它物体相互关联的性质， 如是否相交等。 3 、实体模型。实体模型是最高级的三维物体模趟，它能完整地表示物体 的所有形状信息。可以无歧义地确定一个点是在物体外斋| f 、内部或表面上， 这种模型能有效地模拟现实生活中的物体。 线框模型、表面模型、实体模型二者之问的显不区别与效果见图3 一l 。 图3 一l线框模型、表面模型、实体模型图 3 2 真实感图形与可视化技术基础 随着计算机图形设备的发展，特别是光栅图形显示器的广泛应用。人们 已经不再满足于用线框图来表示立体模型，而是发鼹到餍面模型、实体模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 等进行表示。同时，对隐藏线消除算法的研究也逐步转向隐藏面消除的研究， 因为它更适合于得到逼真的具有浓淡画面的显示效果。 真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就 是在计算机中生成与显示的虚拟t 维场景象现实生活中。样真实。随羲计算 机图形学和计算机技术的发展，真实感图形学在我们的翔常工作、学习和生 活中已经有了非常广泛的应用。计算机辅助设计、多媒体教育、虚拟现实系 统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面， 真实感图形学都发挥了重要的作用。我们直接生成的几何模型并不一定具有 真实感，对于场景中的物体、要得到它的真实感图形，就要对它进行透视投 影，并消除隐藏面，然后计算可见唾的光照明暗效果。给定个三维场景及 其光照明条件，如何确定它在屏幕上生成的真实感图像，即确定图像每一个 象素的明暗、颜色，是真实感图形学需要解决的问题。 3 2 1 消隐、颜色、光照 1 、消隐。计算机图形反映的是现实世界中的物体，大多数物体是不透明 的，如果从某一个角度观察物体，则物体的某些部分便不可见，即被隐藏起 来了。如果在该物体的图形中，刁i 把隐藏的线或面删除，容易导致对图形的 错误理解。为了使计算机图形能够真实地反映这一现象，必须把隐藏的部分 从图形中消除，习惯上称作消隐。 消除隐藏线：为了消除隐藏线，把表示三维物体的每一条线( 边界线、轮 廓线、交线) 与每一一个组成物体的不透明商进行遮蔽判断，确定是否全部、部 分或没有遮蔽。区分可见与不可见部分，画出r u 见线段和线段的可见部分， 隐藏或用虚线画不可见线段和线段的不可见部分，就得到经过消隐处理的线 条图。 消除隐减面：为了消除隐藏面，要把每一个组成物体的而( 平面或曲面) 与每一个不透明面进行遮蔽判断，把町见与不可见部分区分丌来，最后绘出 可见面或面的可见部分，就得到经过消隐处理的立体图。 2 、颜色。要产生具有高度真实感的图形，颜色足最重要的部分，因为颜 色是我们视觉体验的一种基本属性。颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器 官而产生的主观感觉。闵而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周 围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。在物理学上对光与颜色的研 究发现，颜色具有具有恒常性。即人们可以根据物体的固有颜色来感知它们， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 丽不会受外界条件变化的影响。颜色之间的对比效应能够使人区分不同的颜 色。颜色还具有混合性，牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱上 的颜色光带，用实验证明了自光是由很多颜色的光混合而成。红( r ) 、绿( g ) 、 蓝( b ) 三种单色光可以作为基本的颜色三原色，把这 种光按照不同的比例混 合就能准确的复现其它任何波长的光，而它们等量混合就i i 丁以产生自光，即 三色学说，也称为三刺激理论。到现在，用三干申原色能够产生各种颜色的三 色原理已经成为当今颜色科学中最重要的原理利学说。三色学说是我们真实 感图形学的生理视觉基础，我们所采用的r g b 颜色模型，以及计算机图形学 中其他的颜色模型都是根据这个学说提出来的。我们根据三色学浣用r g b 来 定义我们的颜色。 3 、光照。 当光照射在某表面卜时，它可能被吸收、反射成透射。其中入射到表 面e 的一部分光能被吸收并转化为热，其余部分被反射或透射。正是反射或 透射部分的光使物体可见，如果入射光全部被吸收，物体将不可见，该物体 称为黑体。光能中被吸收、反射或透射的数量决定r 光的波长。若入射光中 所有波长的光被吸收的量近似相等，则在白光( 包含所有波长的光) 的照射下， 物体呈现灰色。若几乎所有的光均被吸收，物体将呈黑色。若其中只有一小 部分被吸收，则物体呈“白色”。若某些波长的光被有选择地予以吸收，则 离开物体表面的光将具有不同的能量分布，这时物体呈现出颜色。物体的颜 色决定于它所选择吸收的那部分光的波长。 从物体表面反射出来的光决定于光源中光的成分、光线的方向、光源的 几何性质以及物体表面的朝向和表面性质等等。物体表面的反射光又呵分为 漫反射光和镜面反射光。漫反射光可以认为是光穿过物体表面并被吸收，然 后重新发射出来的光。漫反射光均匀地散布在各个方向，因此观察者的位置 是无关紧要的，而镜面反射光则山物体的外表丽反射所产牛。 简单光照模型中的光分为：辐射光、环境光、漫射光、镜面光。 辐射光是最简单的一种光，它直接从物体发出并且不受任何光源影响。 环境光是由光源发出经环境多次散射而无法确定其方向的光，似乎来自 所有方向。一般说来，房间罩的环境光成分要多些，、外环境光成分要少得 多，因为大部分光线按相同方向照射，而且存广i 夕h 很少有其他物体反射的光。 当环境光照到曲面上时，它在各个方向上均等地发散。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 漫射光来自一个方向，它垂直于物体时比倾斜时更明亮。一丝它照射到 物体上，则在各个方向上均匀地发散出去。于是，无论视点在哪罩它都一样 亮。来自特定位置和特定方向的任何光，都可能有散射成分。 镜面光来自特定方向并沿另一方向反射出去，一个平行激光束在高质量 的镜面上产生1 0 0 的镜面反射。光亮的金属和塑料具有很高非反射成分，而 粉笔和地毯等几乎没有反射成分。 3 2 2 材质、纹理、反走样 1 、材质。三维图形用材料对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义 材料的颜色。象光源一样，材料颜色也分成环境、漫反射和镜面反射成分， 它们决定了材料对环境光、漫反射光和镜面反射光的反射程度。在进行光照 计算时，材料对环境光的反射率与每个进入光源的环境光结合，对漫反射光 的反射率与每个进入光源的漫反射光结合，对镜面光的反射率与每个进入光 源的镜面反射光结合。对环境光与漫反射光的反射程度决定了材料的颜色， 并且它倪很相似。对镜面反射光的反射率通常是白色或灰色( 即对镜面反射 光中红、绿、蓝的反射率相同) 。镜面反射高光最亮的地方将变成具有光源 镜面光强度的颜色。例如一个光亮的红色塑料球，球的大部分表现为红色， 光亮的高光将是白色的。”。 2 、纹理。计算机直接生成的物体图像，往往山于其表面过于光滑和单调， 看起来反而不真实，这是因为在现实世界中的物体，其表面通常有它的表面 细节，即各种纹理，如刨光的木材表面上有木纹，建筑物墙壁上有装饰图案， 卡几器外壳表面有文字说明它的名称、型号等。它们是通过颜色色彩或明暗度 变化体现出来的表面细节，这种纹理称为颜色纹理。另一类纹理则是由于1 i 规则的细小凹凸造成的，例如桔子皮表面的皱纹。可以用纹理映射的方法给 计算机生成的图像加上纹理。 在三维图形中，纹理映射的方法运用得很广，尤其描述具有真实感的物 体。比如绘制一面砖墙，就可以用一幅真实的砖墙图像或照片作为纹理贴到 一个矩形上，这样，一面逼真的砖墙就画好了。如果不用纹理映射的方法， 则墙上的每一块砖都必须作为个独立的多边形来画。另外，纹理映射能够 保证在变换多边形时，多边形上的纹理图案也随之变化。例如，以透视投影 方式观察墙面时，离视点远的砖块的尺寸就会缩小，而离视点较近的就会大 些。此外，纹理映射也常常运用在其他些领域，如飞行仿真中常把一大片 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 植被的图像映射到一些大多边形上用以表示地面，或用大理石、木材、布匹 等自然物质的图像作为纹理映射到多边形上表示相应的物体。 纹理映射有许多种情况。例如，任意一块纹理可以映射到平面或曲面上， 且对光亮的物体进行纹理映射，其表面可以映射出周丽环境的景象；纹理还 可按不同的方式映射到曲碰上，一是可咀卣接画上去( 或称移碗印花法) ， 二是可以调整曲面颜色或把纹理颜色与曲面颜色混合。 3 、反走样。在光栅显示器上显示图形时，直线段或图形边界或多或少会 呈锯齿状。原因是图形信号是连续的，而在光栅媪示系统中，用来表示图形 的却是一个个离散的象素。这种用离散量表示连续量引起的失真现象称之为 走样；用于减少或消除这种效果的技术称为反走样。光栅图形的走样现象除 了阶梯状的边界外，还有图形细节失真，图形中的那些比象素更窄的细节变 宽，狭小图形遗失等现象。 3 2 3 层次细化技术( l o d ) ： 在实时生成真实感图形的过程中，如果我们要得到某种特定的视觉效果， 那么生成图像的算法的选择是有限的，闶而要实现实时性，我们只有从需要 绘制的三维场景本身入手。在当前的真实感图形学中，需要绘制的三维场景 的复杂度都非常高，一个复杂的场景可能会包含几千甚至几百万个多边形， 要实现对这种复杂场景的实时真实感图形绘制是很困难的。一种自然的想法 就是通过减少场景的复杂度，来提高图像绘制的速度。层次细节显示和简化 技术就是在这种背景下提出来的。 层次细节显示简化技术l o d ( 1 e v e lo fd e t a - i s ) 就是在不影响画面视 觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性， 从而提高绘制算法的效率。该技术通常对个原始多面体模型建立几个不同 逼近程度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留1 一定层次的细节，当 从近处观察物体时，我们采用精细的模型，| 面当从远处观察物体时，则采用 较租糙的模型，这样对下一个较复杂场景而古，我们可以减少场景的复杂度， 同时对于生成的真实图像的质量的损失还可以在用，o 给定的阂值以内，而生 成图像的速度也可以大幅度的提高。这是层次细节显示和简化技术的基本原 理。但是，需要注意的是，当视点连续变化时，在两个不同层次的模毯之间 就存在一个明显的跳跃，有必要在相邻层次的模型之间形成光滑的视觉过渡， 即儿何形状过渡，使生成的真实感图像序列是视觉光滑的。层次细节显示和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 简化技术的研究主要集中于如何建赢原始网格模型的不同层次细节的模喇以 及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间的几何形状过渡。” 对于原始网格模型的不唰层次细节的模型的建立，我们假设场景的模型 都是三角形网格( 在实际应用l 卜_ ，为了绘制方便，三维场景最后一般鄙被转 化为二：角形网格) ，从网格的几何及拓扑特性山发，存在着= 种不同基本化 简操作，它们分别是顶点删除操作，删除网格中的个顶点，然后对它的相 邻三角形形成的空洞作三角剖分，以保持刚格的拓扑一致性；边压缩操作， 把网格上的一条边压缩为一个顶点，与该边帽邻的两个三角形的退化( 面积 为零) ，而它的两个顶点融台为一个新的顶点；而片收缩操作，把网格上的 一个面片收缩为一个顶点，该三角形本身和与其相邻的i 个i 角形都退化， 而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。这些操作如图3 2 所示。 被赢锣葛椎点蛳黼 层次细节显示和简化技术是实到真实感图形学技术中麻州比较多的一个 技术，通过这种技术，一u 以较好的简化场景的复杂度，同时，采用不同分辨 率的模型束显示复杂场景的4 i 同物体，使在生成的真实感图像质量损失很小 的情况下，来实时的产生真实感图像，满足某砦关键任务的实时性要求。图 3 3 是牛模型的i 个1 i 同层次细节简化模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图33 牛的层次细化模型 层次细节显示和简化技术是实现实时真实感图形学技术中应用比较多的 一个技术，通过这种技术，可以较好的简化场景的复杂度，同时，采用不同 分辨率的模型来显示复杂场景的不同物体，使生成的真实感图像质量损失很 小的情况下，来实时的产t 真实感图像，满足某些关键任务的实时性要求。 3 3 三维变换 首先引入齐次坐标的概念，所谓齐次坐标就足将一个原本是n 维的向量 用一个n 十1 维向量来表示。在字间直角坐标系中，任意一点可用一个= 二维坐 标矩阵 xyz 表示。如果将该点用一个四维罐标的矩阵 1 xh yh zh 表示时， 则称为齐次坐标表示方法。在齐次坐标中，最后一维坐标h 称为比例因予。 每个齐次点用一个向量( x ，y ，z ，w ) 表示，其中网个元素全不为零。齐 次点具有下列几个性质： 1 ) 如果实数a 非零，则( x ，y ，x ，w ) 和( a x ，a y ，a z ，a w ) 表示同个点， 类似于x y = ( a x ) ( a y ) 。 2 ) 三维空间点( x ，y ，z ) 的齐次点坐标为( x ，y ，z ，1 0 ) ，二维平面点 ( x ，y ) 的齐次坐标为( x ，y ，o o ，1 o ) 。 3 ) 当w 不为零时，齐次点举标( x ，y ，z ，w ) 即三维空州点坐标( x w ，y w ， z w ) ；当w 为零时，齐次点( x ，y ，z ，0 o ) 表示此点位于某方向的无穷远处。 它提供了用矩阵运算把i 维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐 标系变换到另一个坐标系的有效方法。它可以表示无穷远的点，n + 1 维的齐 次坐标中如果w = o ，实际卜就表示了n 维空问的一个无穷远点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 由于用齐次坐标表示，三维几何变换的矩阵是一个4 阶方阵，见式( 3 1 ) 。 lq i 其中i 吒， l 口” k 口1 1q 2 “2 12 d ”d 3 2 0 4 1嚷2 ( 3 1 ) 妻蠢1 产生缩放、旋转等变换；蚤 产生平移变换； 啦：“，j 产生缩放、旋转等变换；l 珂：。i 产生平移变换； 4 3 2 以站jl 3 4 j 口。l 产生投影变换；k 。】产生整体的缩放变换。 3 3 1 几何变换 物体在空间的表示是用世界坐标来表示，但是当人们去观察物体时，坐 标系就转化为观察坐标系。这就需要存两个坐标系之嵋j 进行转换，可以通过 平移、旋转实现从世界嫩标到观察啦标的变换，具体过程见图3 4 。“ ( 萄 图3 4 从世界世标到观察坐标的变换 ( e l 、平移变换。三维也标的乎移变换，即每个点加上其对虑的啦标增量。 平移到新的位置后，模型的大小和形状保持不变。平移变换矩阵见式( 3 2 ) 。 2 、缩放变换。缩放变换即比例变换，模型在x 、y 、z 三个方向以原点为 中心，分别放大或缩小s x ， s y ，s z 倍，得到个新的三维模型。经过缩放 变换后，模型的大小和和形状可能发生变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 8 、删除绘制描述表。在窗口销毁时会触发w m d i ! s t r o y 消息的处理函数， 因此我们可以在该函数中删除绘制描述表。 4 20 p e n g l 模型绘制 4 2 1 定义顶点与构造几何图元 在o p e n g l 中，所有几何物体最终都由有定顺序的顶点集束描述。定义 顶点的函数为 9 1v e r t e x 2 3 4 ) s i f d ) v ( t y p ec o o r d s ) 在实际应用中，通常用一组相关的顶点序列以一定的方式组织起来定义 某个几何图元，而不采用单独定义多个顶点柬构造几何图元。在o p e n g l 中， 所有被定义的顶点必须放在g l b e g a i n ( ) 和g l e n d ( ) 两个函数之间才能正确表 达一个几何图元或物体，否则，9 1 v e r t e x ( ) 不完成任何操作。 函数g l b e g i n ( g l o n ut i 】m o d e ) 标志描述一个几何图元的顶点列表的歼始， 其参数m o d e 表示几何图元的描述类型。所有类型及说明见表4 2 所示。函数 g l e n d ( ) 标志顶点列表的结束。 表4 2 几何图元类型和说明 类型 说明 g lp o i n t s 学个顶点集 g ll i n e s多组双项点线段 g lp o l y g o n学个简甲填充【- - 多边彤 g lt r a i n 6 l e s多组独征填充- 三角形 g l q u a d s 话南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 窗口区视图区 图3 5 从窗j ：_ 区到视图区变换示意图 3 40 p e n g l 概述 3 4 1 常用的三维可视化开发技术 进行三维可视化设计当前常用的技术有：o 口e n g l ，v r m l ，d i r e c t 3 d 和 j a 、，a 3 d ，这几种技术具有各自小同的特点。 由于o p e n g l 的跨平台特性，许多人利用o p e n g l 编写三维应用程序， 0 p e n g l 功能非常强大，与三维建模软件结合起来可以很好的实现i 维设计。 不过对于个非计算专业的人员柬说，利用o p e n g l 编写出复杂的三维应用 程序是比较困难的，刁i 得不自己完成大量非常繁琐的工作。 v r m l 2 0 ( v r m l 9 7 ) 自1 9 9 7 年1 2 月j 下式成为困际标准之后，存网络一j ： 得到了广泛的应用，编写v r m l 程序非常方便( v r m l 语言可以说比b a s i c ， j a 、礁s c r i p t 等语言还要简单) ，同时可以编写三维动画片、鼍维游戏、用于 计算机辅助教学，因而其应用前景非常广阔。但由于v r m l 语言功能目前还 不是很强( 如目前没有形体之间的碰撞检查功能1 ，与j a 、，a 语言等其它高级语 言的连接较难掌握，因而失去了一些计算机高手的宠爱。 d i r e c t 3 d 是m i c r o s o f t 公司推m 的三维图形编程a p i ，它主要应用于三维 游戏编程，目前相关的学习资料难丁- 获得，由于它一般需要v c 等编程工具 进行编程，需要编程人员具有较高的c + + 等高级语古的编程功底，因而难以 普及。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 j a 、，a 3 d 建立在j a 、，a 2 基础之上，j a 、，a 语言的简单性使j a 、，a 3 d 的推 广有了可能。但因为j a 、，a 是解释进 j 的浯言，所以执行速度非常慢，如果 三维场景模型比较复杂，那么在j a 、恰3 d 中很难进行实时漫游。 3 4 2o p e h g l 的优势 目前最常用的虚拟现实编程是o p e n g l 。o p e n g l 的优点在于它跨平台的 特性，而且由于它是基于底层编稷所以比较灵活。它的缺点在于用它编写复 杂的三维应用程序是比较困难的，需要完成大量繁琐的工作。 长期以来，从事三维图形丌发的技术人员都不得不在自己的程序中编写 矩阵变换、外部设备访问等函数，这样为调试这些与自己的软件丌发目标关 系并不十分密切的函数大费精力，而o p e n g l 提供一种宜观的编程环境，它提 供的一系列函数大大地简化了i 维图形开发过程，为三维展览图形丌发创造 了良好的条件。 计算机图形学的发展使得j 维表现技