基于ＯｐｅｎＧＬ的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)技術(shù)，包括：OpenGL繪圖窗口的創(chuàng)建；實體建模；紋理設(shè)置和貼圖；界面和樹的實現(xiàn)；虛擬仿真——利用VC++6.0開發(fā)平臺，編制程序?qū)崿F(xiàn)虛擬校園的漫游。該系統(tǒng)可以用于校園三維漫游、校園管理、校園規(guī)劃等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；OpenGL；實體建模；虛擬校園

0 引言

虛擬校園作為虛擬技術(shù)的一個應(yīng)用，需運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)結(jié)合三維可視化語言在屏幕上顯示校園環(huán)境，并實現(xiàn)漫游、人機(jī)交互等功能。本文以太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院校區(qū)為虛擬空間，主要實現(xiàn)對地形和建筑的建模，以及全方位的觀測，并實現(xiàn)在虛擬空間中的漫游功能，使觀察者無需到達(dá)實地就有身臨其境的感覺。

1 虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬校園漫游系統(tǒng)功能實用，主要包括：圖形操作基本功能和手動漫游功能。

(1)圖形操作基本功能

主要實現(xiàn)地圖和景點(diǎn)圖片的瀏覽功能，提供全景、放大、縮小等基本的地圖操作功能。

(2)手動漫游功能

該系統(tǒng)是為方便學(xué)校管理規(guī)劃而設(shè)計開發(fā)的，它提供了多種交互手段，用戶和系統(tǒng)的交互主要通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行。通過w、a、s、d鍵上下左右移動，利用鼠標(biāo)控制前進(jìn)的方向，用戶可以有效地定位檢索出校園最新信息。

2 虛擬校園實體建模實現(xiàn)

虛擬校園實體建模是系統(tǒng)最主要的部分，內(nèi)容包括：資料的收集、底圖的生成、立體模型的制作、三維貼圖到校園立體圖的繪制等。我們通過數(shù)碼相機(jī)采集貼圖，在photoshop cs2中對貼圖進(jìn)行處理，得到素材，在VC中建立函數(shù)，套用OpenGL函數(shù)庫構(gòu)建模型。

2.1虛擬校園實體模型的構(gòu)成

本文對學(xué)校做了建模，主要分為四個層次：第一層(y=0.0；y為地形的高度)，包括二食堂、一號教學(xué)樓、實驗樓、二號教學(xué)樓；第二層(y=0.6)，在這一層中只有一號宿舍樓；第三層(y=1.2)，二號宿舍樓和大食堂；第四層(y=1.8)，在這一層中包括三號宿舍樓、四號宿舍樓和操場。

2.2建模方法

利用OpenGL能夠繪制點(diǎn)、線和多邊形，應(yīng)用這些基本的形體，可以構(gòu)造出幾乎所有的三維模型?？紤]到渲染速度，本文主要采用了三角形進(jìn)行建模。在OpenGL中，可以編寫代碼創(chuàng)建三角形，但是創(chuàng)建時要指定三角形的三個頂點(diǎn)，這樣的話要寫很多代碼且使整個建模過程產(chǎn)生大量的冗余代碼。為了解決這一問題，本文采用了讀取文本文檔的方法來減少代碼的冗余。在建模過程中又定義了繪制臺階函數(shù)DrawStair()、側(cè)面體函數(shù)DrawWall()、橫面體函數(shù)DrawFloor()來完成各種模型的建立。

2.3虛擬校園最終模型構(gòu)建

虛擬校園最終模型的構(gòu)建都是利用函數(shù)DrawGLScene()完成的。該函數(shù)在主函數(shù)WinMain()中被循環(huán)調(diào)用，直到程序退出為止。繪制效果如圖1所示。

3 虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)過程

3.1設(shè)置像素格式

OpenGL的像素格式告訴系統(tǒng)在利用OpenGL繪制圖形時所采用的顏色模式、顏色的位數(shù)。

3.2創(chuàng)建圖形操作描述表

創(chuàng)建圖形操作描述表并啟用它后，才能調(diào)用OpenGL函數(shù)在窗口內(nèi)進(jìn)行各種圖形操作。創(chuàng)建圖形操作描述表利用MFC中視類(CView)的消息OnCreat()實現(xiàn)。

3.3 OpenGL窗口創(chuàng)建

首先是打開VC++6.0，然后創(chuàng)建一個新工程。創(chuàng)建一個新的Win32程序后，鏈接OpenGL庫文件即可。

3.4紋理與貼圖

紋理貼圖就是利用數(shù)碼相機(jī)將拍攝的實物照片作為所建立三維模型的紋理“貼”至相應(yīng)的二維物體模型，使模擬的地物更具有真實感。

3.4.1紋理設(shè)置

比如繪制一面磚墻，就可以用一幅真實的磚墻圖像或照片作為紋理貼到一個矩形上，這樣，一面逼真的磚墻就畫好了。下面介紹紋理創(chuàng)建的方法。

首先，創(chuàng)建一個文件句柄。句柄用來鑒別資源，它使程序能夠訪問此資源。開始先將句柄設(shè)為NULL，然后通過以下三個函數(shù)實現(xiàn)紋理設(shè)置。

AUX_RGBImageRec*LoadBMP(char *Filename)//載入位圖圖像 auxDIBImageLoad(Filename)//讀取圖像數(shù)據(jù)并將其返回 int LoadGLTextures()//栽入位圖(調(diào)用上面的代碼)并轉(zhuǎn)換成紋理

3.4.2貼圖制作

在創(chuàng)建虛擬校園的過程中，對建筑物的數(shù)據(jù)采集非常關(guān)鍵。由于在虛擬校園系統(tǒng)中各個建筑物的外觀不一樣，貼圖也不—樣，這對設(shè)計是—個難點(diǎn)。用數(shù)碼相機(jī)取圖片時，因為采集的是正面圖，所以要保持和圖在一個水平線上。

對采集來的數(shù)碼相片我們用photoshop加以處理，比如對臺階貼圖進(jìn)行處理后，臺階的顏色下淺上深，產(chǎn)生了層次感，如圖2所示。對各個樓的柱子貼圖都要進(jìn)行處理，使之看起來有立體感，如圖3所示。另外本文采用的貼圖都是正方形的，有的貼圖還需要重復(fù)粘貼。比如學(xué)院的草地邊的條磚路，它的貼圖做到了左右上下都對稱，重合在一起顯得比較協(xié)調(diào)。貼圖處理后效果如圖4所示。

3.5樹的實現(xiàn)

樹是通過定義一個類Tree來實現(xiàn)的。由于樹的形狀不像建筑那樣規(guī)則，因此它的構(gòu)造也是相當(dāng)復(fù)雜的。本文中樹的建模過程如下。

3.5.1樹葉紋理的制作

樹葉紋理的制作是實現(xiàn)樹的難點(diǎn)。樹葉的紋理是由兩張貼圖生成的，一張是紋理的透明貼圖branchAlphal.bmp，另一張是紋理的背景貼圖branchl.bmp。通過兩張貼圖的合成生成樹葉的紋理，可用bool Tree::MakeAlphaTextureBind(char*TextureFileName，char*AlphaFileName，unsigned int*TexturelD)函數(shù)實現(xiàn)。

3.5.2樹的模型構(gòu)建

樹的模型構(gòu)建分兩個部分，樹桿的構(gòu)建和樹枝的構(gòu)建?？捎靡韵潞瘮?shù)實現(xiàn)。

void Tree::Draw3DTree(float SzTree)//繪制樹桿

void Tree::DrawGreenTree()//繪制樹枝

void Tree::DrawTop(float width，float height)//繪制樹頂

3.6虛擬校園漫游系統(tǒng)界面的實現(xiàn)

本系統(tǒng)界面是作為一個類來實現(xiàn)的，主要是通過使用OpenGL繪圖函數(shù)來構(gòu)建。界面的搭建可分為三層。第一層：界面主背景，主要由一個四邊形加上背景紋理貼圖構(gòu)成。第二層：選項菜單和說明層，在本層中主要是根據(jù)鼠標(biāo)的位置和單擊事件來選擇不同的紋理貼圖給人以變換的感覺，該層也是界面中最主要的一層。第三層：鼠標(biāo)層，鼠標(biāo)同樣是由四邊形加上背景紋理貼圖構(gòu)成，但紋理貼圖方式是由透明加背景色實現(xiàn)。界面繪制效果如圖5所示。

4 虛擬仿真

4.1虛擬校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

虛擬校園漫游是交互性技術(shù)的重要體現(xiàn)。解決方法如下：①根據(jù)用戶的指令旋轉(zhuǎn)并變換鏡頭位置。②圍繞原點(diǎn)，以與鏡頭相反的旋轉(zhuǎn)方向來旋轉(zhuǎn)世界(讓人產(chǎn)生鏡頭旋轉(zhuǎn)的錯覺)。③以與鏡頭平移方式相反的方式來平移世界(讓人產(chǎn)生鏡頭移動的錯覺)。

4.1.1鏡頭的旋轉(zhuǎn)

鏡頭的旋轉(zhuǎn)是靠獲取鼠標(biāo)事件事實現(xiàn)的。在這里用到了三個全局變量和一個常量，heading是用來記錄左右旋轉(zhuǎn)的角度，yrot用來傳遞給渲染函數(shù)這個值。lookupdown用來記錄上下旋轉(zhuǎn)的角度。

4.1.2鏡頭的平移

鏡頭的平移是靠獲取鍵盤事件來實現(xiàn)的。鏡頭的平移分為左移、右移、前進(jìn)、后退，分別對應(yīng)鍵盤的A、D、W、S鍵。

4.2碰撞檢測

碰撞檢測就檢測觀察者在行進(jìn)中是否遇到了阻礙。主要實現(xiàn)辦法是根據(jù)不同的地形或建筑設(shè)定不同的高度值(也就是Y值)，然后在行進(jìn)中檢測Y值的變化，如果在行進(jìn)的某一瞬間Y值的變化超過某一范圍則限制x或z值的變化。

5 結(jié)束語

本文以虛擬校園的實現(xiàn)為研究對象，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)繪制了虛擬校園的三維模型，編程實現(xiàn)了虛擬校園的漫游。但有些方面還存在不足，譬如只完成了室外建模，并沒有對室內(nèi)進(jìn)行建模；碰撞檢測算法不太精確造成了資源的浪費(fèi)等。