基于OpenGL子函數(shù)構(gòu)建三維實(shí)體圖形庫(kù).pdf

1、在以計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展中，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)已經(jīng)成為非常具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值的技術(shù)之一，圖形學(xué)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了迅速的普及。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)入三維立體時(shí)代后，更是進(jìn)入了嶄新的發(fā)展紀(jì)元。電影電視制作、游戲軟件開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM），無(wú)一不是三維圖形充分發(fā)揮的領(lǐng)域。
　　 這些讓人們能夠親手創(chuàng)建和親身體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被稱作虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）系統(tǒng)。VR系統(tǒng)又被稱為虛

2、擬環(huán)境系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)實(shí)時(shí)、虛擬的三維空間。用戶可以在其中“自由地”的活動(dòng)，隨意觀察周圍的物體，并可通過(guò)某些特殊的設(shè)備和虛擬物體進(jìn)行互動(dòng)操作。VR技術(shù)在各領(lǐng)域中都有著較大的應(yīng)用潛力和推廣前景，如在醫(yī)療領(lǐng)域，VR可用于虛擬解剖的教學(xué)、手術(shù)的模擬、康復(fù)訓(xùn)練等；在娛樂(lè)領(lǐng)域，可用于電子游戲和影視制作，某些三維游戲是VR技術(shù)的最好體現(xiàn)，有些游戲中的場(chǎng)景的視覺(jué)效果甚至達(dá)到亂真的程度；在藝術(shù)文化方面有虛擬演員、虛擬博物館等，在教育方面有虛擬

3、物理實(shí)驗(yàn)室和虛擬課堂等；在自控和制造業(yè)，VR技術(shù)輔助設(shè)計(jì)、虛擬裝配及制造等；在商業(yè)領(lǐng)域，VR可用于產(chǎn)品廣告宣傳，VR廣告相比傳統(tǒng)廣告更易于制作和更改，也更有表現(xiàn)力和感染力。如裝潢設(shè)計(jì)、建筑的虛擬展示（對(duì)于期房更加必要）等；在軍事和航空航天領(lǐng)域，有虛擬飛行、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)等，美國(guó)的坦克訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)SIMNET,NASA的VR訓(xùn)練系統(tǒng)都是非常成功的應(yīng)用。
　　 VR系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分是用于模擬真實(shí)物體的三維圖形的繪制，目前世界各地的科研工作者在

4、這方面做了很多的工作，基于圖形的地形建模技術(shù)中，主要有三個(gè)不同方法:一種是使用DEM數(shù)據(jù)構(gòu)造多邊形面；另外一種方法是基于數(shù)據(jù)擬合的地形生成，用曲面（如二次曲面，Bezier曲面或其它一些曲面）進(jìn)行擬合；最后一種是基于分形技術(shù)的地形生成。云的模擬方法有基于云的物理生成過(guò)程的方法，基于分形的方法，基于隨機(jī)過(guò)程的方法等。海浪的模擬主要有以下幾種方法：基于計(jì)算流體力學(xué)方法、基于海浪譜的方法、基于幾何造型方法、基于分形的方法等?；鹧娴哪M主要有三

5、種，包括基于紋理的方法，基于粒子系統(tǒng)的方法和基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的方法。
　　 傳統(tǒng)的三維圖形繪制方法主要使用歐氏幾何生成規(guī)則圖形和平滑曲線，對(duì)復(fù)雜的自然物體的模擬顯得力不從心。20世紀(jì)70年代B.Mandelbrot建立了分形圖形學(xué)，用來(lái)描述那些不規(guī)則的歐氏幾何無(wú)法模擬的幾何圖形，被稱為“大自然本身的幾何學(xué)”，使自然物體的模擬成為可能，這也是分形幾何得到廣泛應(yīng)用的理由之一。
　　 三維圖形庫(kù)技術(shù)是改善三維圖形應(yīng)用的通用性、靈

6、活性和開(kāi)放性的有效途徑。使用者在需要時(shí)，將所需的三維實(shí)體從圖形庫(kù)中取出來(lái)，在指定的位置繪制，即可以解除繁瑣的重復(fù)繪制工作，也可以保證三維實(shí)體的繪制質(zhì)量，提高開(kāi)發(fā)效率。
　　 圖形庫(kù)的建立始于上世紀(jì)70年代，主要有兩種形式：定制固定的圖符；對(duì)圖形分類，每一類圖形對(duì)應(yīng)一種算法。第一種辦法容易實(shí)現(xiàn)，利于新圖形的加入，但冗余大。對(duì)于形狀相似的一類圖形，需要在庫(kù)中存儲(chǔ)每一個(gè)圖形的形態(tài)，這樣的圖形，在實(shí)際的應(yīng)用中中大量存在。第二種方法對(duì)于同

7、類中的圖形只需要存儲(chǔ)一個(gè)子程序，彌補(bǔ)了第一種方法的不足，消除了冗余，且建立了圖形庫(kù)的參數(shù)化。
　　 目前，圖形庫(kù)已受到社會(huì)各個(gè)方面的關(guān)注，在機(jī)械制造、水利水電及地理系統(tǒng)都有所使用，很多繪圖工具也提供了圖形庫(kù)應(yīng)用功能。目前Autodesk公司開(kāi)發(fā)的軟件AutoCAD是在計(jì)算機(jī)上使用最為廣泛的一個(gè)交互式繪圖系統(tǒng)，AutoCAD也集成了圖形庫(kù)的應(yīng)用功能，主要用來(lái)生成一些標(biāo)準(zhǔn)圖形和常用圖形，用戶可以直接使用庫(kù)中的圖形，降低用戶的重復(fù)工作

8、，提升設(shè)計(jì)效率，節(jié)約大量的繪圖時(shí)間。類似AutoCAD的三維繪圖工具如：3DMAX、Maya等都已經(jīng)很成熟，并且得到廣泛的使用。但是，這些軟件大都是以傳統(tǒng)的微機(jī)繪圖方法為基礎(chǔ)用歐式幾何的方法來(lái)繪制圖形，繪制的都是一些線條光滑，形狀規(guī)則的幾何圖形。
　　 分形理論是描繪具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)形狀的一門新興科學(xué)，在過(guò)去的30多年中，分形幾何已廣泛地應(yīng)用于眾多學(xué)科的研究領(lǐng)域，并使得許多研究取得突破性成果。分形理論最重要、最直接的

9、使用領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，分形理論研究和進(jìn)展極大地豐富了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)涵，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中對(duì)自然景物的真實(shí)模擬和建模起著關(guān)鍵作用，已經(jīng)形成了很多繪制分形圖形的經(jīng)典方法，如：迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）、L系統(tǒng)、中點(diǎn)位移法，Diamond-Square算法、粒子系統(tǒng)等，用這些算法生成的自然景物在逼真性方面有著傳統(tǒng)歐式幾何不能相比的優(yōu)點(diǎn)。
　　 現(xiàn)實(shí)世界尤其是自然環(huán)境中的很多物體都是以某種

10、不規(guī)律的隨機(jī)狀態(tài)表現(xiàn)出來(lái)的，樹(shù)、山、云、地形、海浪等都有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，而目前的三維實(shí)體庫(kù)中還缺少這些關(guān)鍵要素，用普通的圖形生成軟件或者編程繪制都有很大的困難。所以開(kāi)發(fā)運(yùn)用分形圖形學(xué)構(gòu)建的，包含各種自然界圖形實(shí)體的圖形庫(kù)具有現(xiàn)實(shí)的意義。
　　 圖形庫(kù)中的圖形文件有多種存儲(chǔ)方式，目前主要的有兩種：圖形文件格式和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式。圖形文件是將三維圖形的頂點(diǎn)坐標(biāo)等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件。在需要的時(shí)候，從圖形文件中讀取圖形數(shù)據(jù)繪制三維圖形

11、。比較流行的圖形文件有3DMAX的3DS文件，VRML（Virtual Reality Modeling Language）的WRL文件等。如果用圖形文件存儲(chǔ)三維分形圖形，優(yōu)點(diǎn)是繪圖時(shí)不必再進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，因?yàn)閳D形文件存儲(chǔ)的是經(jīng)過(guò)計(jì)算后的分形圖形的頂點(diǎn)坐標(biāo)，可以有效提高分形圖形的繪制速度。但是分形幾何圖形與歐氏幾何圖形相比有著不同的特點(diǎn)：歐氏幾何的圖元是有限的，所以用歐氏幾何模擬的規(guī)則三維物體也是有限的；而分形幾何繪制的圖形如用它來(lái)描繪

12、的自然景物一樣具有無(wú)窮的形態(tài)和細(xì)節(jié)，具有隨機(jī)性和自相似性。所以用圖形文件存儲(chǔ)分形圖形，會(huì)導(dǎo)致圖形文件的數(shù)量巨大，圖形文件的存儲(chǔ)和檢索都會(huì)造成困難。數(shù)據(jù)庫(kù)是指以一定的組織方式存儲(chǔ)在一起的、能為多個(gè)用戶所共享的、與應(yīng)用程序彼此獨(dú)立的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)庫(kù)中各種不同類型的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系全部集中的按照一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)具有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式，使數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)比文件存儲(chǔ)管理方式在數(shù)據(jù)冗余度、完整性等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。圖

13、形數(shù)據(jù)庫(kù)在CAD/CAM領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如：AutoCAD。如果用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)分形圖形，仍然會(huì)造成數(shù)據(jù)量龐大的問(wèn)題。在CAD/CAM領(lǐng)域用戶對(duì)圖形的生成速度并不敏感，只要在可以接受的時(shí)間內(nèi)生成用戶期望的圖形即可。但使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的用戶要求的是實(shí)時(shí)性，三維虛擬場(chǎng)景的繪制速度必須達(dá)到每秒30幀以上，用戶才不會(huì)感覺(jué)到場(chǎng)景重繪的跳躍感，所以虛擬場(chǎng)景需要有毫秒級(jí)的繪制速度。如果使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)靜態(tài)的三維實(shí)體圖形，如靜態(tài)的分形樹(shù)，在虛擬場(chǎng)景第一次

14、繪制時(shí)讀入圖形信息即可，但如果是動(dòng)態(tài)的三維實(shí)體圖形，如隨風(fēng)搖曳的樹(shù)、粒子系統(tǒng)生成的火焰等，在每次虛擬場(chǎng)景重繪時(shí)，都需要從圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中讀入實(shí)體圖形的信息，所以虛擬場(chǎng)景的繪制速度較大程度的依賴數(shù)據(jù)庫(kù)的性能，而使用高性能的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)會(huì)增加虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的成本，不利于分形實(shí)體圖形的實(shí)用化。因此目前流行的圖形文件和圖形數(shù)據(jù)庫(kù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都不適合存儲(chǔ)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分形三維實(shí)體圖形。構(gòu)造三維實(shí)體圖形庫(kù)的最終目的是使其商業(yè)化，可以作為產(chǎn)品銷售，所

15、以必須對(duì)實(shí)體的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，防止實(shí)體文件內(nèi)容泄露，因此直接提供給用戶分形三維實(shí)體圖形的生成程序也是不合適的。
　　 本文提出一種使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和OpenGL的顯示列表機(jī)制來(lái)構(gòu)造三維實(shí)體圖形庫(kù)的方法，即實(shí)現(xiàn)了實(shí)體圖形生成算法的隱藏和圖形庫(kù)的模塊化，也保證了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的漫游速度。主要工作是運(yùn)用分形圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建虛擬環(huán)境中樹(shù)、地形、云、海浪、火焰、雪、噴泉等三維自然景觀實(shí)體，將每一種實(shí)體圖形封裝成一個(gè)由OpenGL子函數(shù)