OpenGL在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的應(yīng)用研究

杜麗美

(長(zhǎng)治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 長(zhǎng)治 046011)

OpenGL在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的應(yīng)用研究

杜麗美

(長(zhǎng)治學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 長(zhǎng)治 046011)

基于可視化的需求，研究在圖形學(xué)中如何生成具有真實(shí)感的圖形，主要引入了OpenGL函數(shù)，利用OpenGL函數(shù)中的光照、材質(zhì)、霧化等函數(shù)對(duì)利用圖形學(xué)生成的三角網(wǎng)格模型進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到重建物體的目的。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；三角網(wǎng)狀模型；OpenGL函數(shù)；光照；材質(zhì)；霧化

1 前言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[1]是一種使用某種數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形以柵格的形式顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上的科學(xué)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究的是利用何種算法在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及進(jìn)行圖形的計(jì)算和處理。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)主要的目的就是要在計(jì)算機(jī)屏幕上生成具有真實(shí)感的圖形。因此，應(yīng)首先建立物體的幾何表示，然后再將假想的光源、紋理、材質(zhì)、霧等屬性附于幾何圖形上，使得計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的幾何圖形更加接近于真實(shí)物體。目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)往往和OpenGL一起使用[2]。

2 OpenGL簡(jiǎn)介

OpenGL實(shí)際上是一個(gè)豐富的三維圖形函數(shù)庫(kù)，除了具有基本的OpenGL函數(shù)外，還支持其他四類函數(shù)：OpenGL實(shí)用庫(kù)、OpenGL輔助庫(kù)、Windows專用庫(kù)函數(shù)、Win32 API函數(shù)[3-4]。OpenGL的這些函數(shù)有強(qiáng)大的功能，比如：可以繪制三維物體，可以對(duì)物體進(jìn)行光照、明暗處理、材質(zhì)設(shè)置、紋理設(shè)置、霧化等效果。此外OpenGL還提供了雙緩存，可以用來(lái)制作動(dòng)畫。OpenGL的這些強(qiáng)大的功能為實(shí)現(xiàn)三維物體重建技術(shù)、以及建立人機(jī)交互的三維場(chǎng)景提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

OpenGL不僅可以運(yùn)行在各種流行的操作系統(tǒng)上,而且只要在基本的C或C++語(yǔ)言中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可。

3 OpenGL函數(shù)在圖形學(xué)上的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)合OpenGL函數(shù)渲染繪制出真實(shí)物體的三維圖形的基本步驟如下：

(1)建立基本模型。首先利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的算法將真實(shí)物體轉(zhuǎn)化成能在計(jì)算機(jī)上表示的景物模型，復(fù)雜物體一般是表示成三角網(wǎng)狀的模型結(jié)構(gòu)。

(2)投影及視口變換。把表示出的模型放在三維空間中的合適的位置，并且設(shè)置視點(diǎn)(viewpoint)，使得模型居中顯示并且將觀察者感興趣的一面展現(xiàn)在屏幕上。

(3)光照、材質(zhì)、霧等的設(shè)置。將模型展示在屏幕上以后，就開(kāi)始真正的模擬真實(shí)物體了，這里主要通過(guò)設(shè)置OpenGL中的光照、材質(zhì)、霧化函數(shù)來(lái)對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行模擬。

(4)顯示三維圖形。

3.1 建立基本模型

對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜物體，要想將其顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，可以首先利用某種技術(shù)手段提取真實(shí)物體表面的離散點(diǎn)，然后將這些離散點(diǎn)輸入到計(jì)算機(jī)中，最后利用某種有效的算法將這些點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成三角網(wǎng)格的形式，最終在計(jì)算機(jī)屏幕上得到描述真實(shí)物體的三角網(wǎng)格模型。圖3-1便是真實(shí)物體對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)格模型

圖3-1 三角網(wǎng)格模型Fig 3-1 The example of the triangul ation

3.2 投影及視口變換

建立好的模型如何在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示是關(guān)鍵，比如要顯示在屏幕上的哪個(gè)位置、是否要按比例顯示，這些問(wèn)題都會(huì)影響真實(shí)物體的重建的效果，在OpenGL函數(shù)中主要提供了兩種投影方式[5]：正射投影和透視投影。

(1)正射投影的視景體類似一個(gè)長(zhǎng)方體，因此在投影的過(guò)程中無(wú)論物體距鏡頭是近的還是遠(yuǎn)的，但最終投影到屏幕上的物體尺寸是不變的。正射投影函數(shù)為：

函數(shù)中的參數(shù)表示了兩個(gè)裁剪平面，即近裁剪面和遠(yuǎn)裁剪面，這兩個(gè)裁剪面都是長(zhǎng)方形，而且函數(shù)中的參數(shù)表明近裁剪面所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)方形的左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)坐標(biāo)分別是(left，bottom，-near)和(right，top，-near)；而遠(yuǎn)裁剪面所對(duì)的長(zhǎng)方形的左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)坐標(biāo)分別是(left，bottom，-far)和(right，top，-far)。

(2)透視投影的視景體類似一個(gè)棱臺(tái)，它的特點(diǎn)是離視點(diǎn)近的物體大，離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體小。這種投影方式經(jīng)常用在三維場(chǎng)景的模擬以及動(dòng)畫等需要反應(yīng)真實(shí)性事件的情況中。此種投影方式所對(duì)的函數(shù)為：

這個(gè)函數(shù)的參數(shù)只定義近裁剪平面的坐標(biāo)，即左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(left，bottom，-near)和(right，top，-near)；遠(yuǎn)裁剪平面沒(méi)有定義具體的坐標(biāo)，只是定義了一個(gè)參數(shù)far，這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了透視投影的特點(diǎn)，far的大小表明遠(yuǎn)裁剪平面距離鏡頭的遠(yuǎn)近，而其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)是由系統(tǒng)自動(dòng)生成的。

正射投影和透視投影只是采用什么樣的視景體來(lái)截取圖像，并不負(fù)責(zé)使用某種規(guī)則把圖像呈現(xiàn)在屏幕上，glViewport()函數(shù)主要是用來(lái)把由視景體截取的圖像按照怎樣的高和寬顯示在屏幕上。對(duì)應(yīng)的函數(shù)為：

此函數(shù)中4個(gè)參數(shù)決定了視口的位置：視口的左下角點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，右上角點(diǎn)坐標(biāo)為(x+width，y+height)。

3.3 光照、材質(zhì)等的設(shè)置

3.3.1 光照設(shè)置

首先對(duì)模型進(jìn)行光照設(shè)置[5-6]。一般來(lái)說(shuō)，光照設(shè)置包括三種光：環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光。環(huán)境光(Ambient Light)可以來(lái)自地面、天空、墻壁等；漫反射光(Diffuse Light)表示某種給定的光源照射到物體表面后并均勻向四周反射出去的光；鏡面反射光(Specular Light)為朝向特定方向反射出去的光。

OpenGL中的光照函數(shù)見(jiàn)下：

創(chuàng)建光源位置：glLightfv(GL_LIGHT0，GL_POSITION，light_position)

定義三種光：

以上函數(shù)中的第三個(gè)參數(shù)都是自定義的具體值，例如定義光源位置的具體值如下：

3.3.2 材質(zhì)設(shè)置

其次對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)置[5-6]，和光源類似，材料顏色的成分也分為環(huán)境、漫反射和鏡面反射三種。通常在一個(gè)場(chǎng)景中同時(shí)設(shè)置光照和材質(zhì)兩種特性，這兩種特性同時(shí)作用在物體上時(shí)，效果為兩者的疊加，即若光源顏色為(R1，G1，B1)，材質(zhì)顏色為(R2，G2，B2)，那么最終看到的效果為(R1*R2，G1*G2，B1*B2)。材質(zhì)的定義函數(shù)為：

其中face取GL_FRONT表明將材質(zhì)應(yīng)用到物體前面，取GL_BACK表明將材質(zhì)應(yīng)用到物體背面，取GL_FRONT_AND_BACK表明將材質(zhì)應(yīng)用到物體前后兩個(gè)面上；pname一般取GL_AMBIENT或GL_DIFFUSE或 GL_SPECULAR或 GL_SHINESS；第三個(gè)參數(shù)為第二個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的具體值。其中GL_SHINESS為鏡面指數(shù)，也就是所謂的“高光區(qū)”的大小，此參數(shù)作用于模型上，可以使模型表面的制定位置處呈現(xiàn)一個(gè)光亮區(qū)域，使得模型更加接近于真實(shí)物體。

3.3.3 霧化

霧化的應(yīng)用極為廣泛，它的作用是使物體更加接近真實(shí)效果，而且也可以使物體看起來(lái)更加自然。因此將霧的效果應(yīng)用于模型上，可以給人產(chǎn)生距離感，使得模型更加具有立體感。此外，霧的濃度可以控制，霧的顏色也可以任意設(shè)定。

在OpenGL程序中啟動(dòng)霧以及控制霧的函數(shù)為[5]：

glEnable(GL_FOG)

glFogfv(GLenum pname，TYPE param)

其中參數(shù)pname通常取GL_FOG_MODE、GL_FOG_DENSITY、GL_FOG_START、GL_FOG_END 或GL_FOG_COLOR，param則取對(duì)應(yīng)的具體值。

3.4 顯示三維圖形

經(jīng)過(guò)以上三個(gè)步驟就完成了對(duì)真實(shí)物體的模擬，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的輸出函數(shù)將模擬重建的物體顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在VC6.0平臺(tái)上進(jìn)行，采集了海豚表面的離散點(diǎn)，采用正射投影的方式對(duì)海豚進(jìn)行了模擬。

①圖4-1(a)為在計(jì)算機(jī)屏幕上生成的海豚的三角網(wǎng)格模型。

②圖4-1(b)為開(kāi)啟默認(rèn)光照后的效果，從圖中可以看出，對(duì)模型進(jìn)行光照后，背光的部分顏色較暗，非常接近現(xiàn)實(shí)生活，而且一個(gè)場(chǎng)景中的兩只海豚在同一光照條件下的顏色相同。

③圖4-1(c)是在開(kāi)啟默認(rèn)光照的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)置并且設(shè)置“高光區(qū)”，從圖中可見(jiàn)，在同一場(chǎng)景中，不同的海豚可以設(shè)置不同的材質(zhì)，再加上“高光”處理，使模型更加真實(shí)化。

④圖4-1(d)為在 4-1(c)的基礎(chǔ)上加上了霧的效果，使得遠(yuǎn)離視點(diǎn)的淡藍(lán)色海豚變得模糊，看起來(lái)生動(dòng)、形象。

圖4-1 海豚的模擬過(guò)程Fig4-1 The imitation of dolphin

5 結(jié)論

文章主要針對(duì)OpenGL中的光照、材質(zhì)和霧化函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，并且顯示了逼真的三維渲染效果。此外，OpenGL函數(shù)還有更加強(qiáng)大的功能，比如進(jìn)行紋理設(shè)置、特殊光照處理還有實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果等。

[1]趙玉峰.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技信息，2008，(16)：68.

[2]李文強(qiáng)，華祖耀.基于OpenGL的仿真可視化技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，(06)：158-161.

[3]歐中亞.基于OpenGL的三維建?？梢暬浖_(kāi)發(fā)[J].信息安全與技術(shù)，2011(07)：48-50.

[4]湯彬.基于 OpenGL 實(shí)現(xiàn)三維繪圖[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(01)：18-25.

[5]廖朵朵.OpenGL變換、光照、紋理、動(dòng)畫及特殊效果[J].微電腦世界，1996，(11)：151-153.

[6]廖朵朵.OpenGL基本功能操作-建模、變換、顏色、光照與材質(zhì)[J]. 微電腦世界，1997，(01)：75-78.

TP391.41

A

1673-2014(2012)02-0050-03

2012—02—22

杜麗美(1983—)，女，山西大同人，碩士，主要研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理等研究。

(責(zé)任編輯 單麥琴)