基于OpenGL的3ds數(shù)據(jù)可視化

肖 坤，閆浩文，張志華

（1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州，730070）

基于OpenGL的3ds數(shù)據(jù)可視化

肖 坤1，閆浩文1，張志華1

（1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州，730070）

探討了基于OpenGL的3ds文件讀取、繪制和控制方法，從三維模型在地形中移動(dòng)的坡度和坡向問題入手，逼真地模擬了3ds文件模型在GRID地形中移動(dòng)的交互控制過程。開發(fā)的三維模擬可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在3ds文件模型和GRID地形的貼合程度方面效果良好。

OpenGL；3ds；三維可視化；交互控制

OpenGL是一個(gè)開源的三維圖形軟件包，作為一個(gè)性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面，被廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)環(huán)境中，成為三維圖形開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，GRID地形和三維模型的可視化已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于地形模擬和景觀仿真等方面，但模型運(yùn)動(dòng)的自主性不強(qiáng)，貼合度不好[2,3]。本文將建立的3ds文件利用Visual C++快速導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過研究該模型文件的讀取、繪制與控制方法，結(jié)合規(guī)則格網(wǎng)GRID模型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了3ds文件模型在凸凹不平GRID地形的交互控制移動(dòng)過程，以及三維模型與GRID地形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)貼合。本文方法在模型的移動(dòng)和位置關(guān)系的結(jié)合上，取得良好效果，可為三維動(dòng)態(tài)模擬、三維模型之間的貼合以及場(chǎng)景快速構(gòu)建等提供技術(shù)參考。

1 3ds文件結(jié)構(gòu)

3ds文件是最常見的一種三維模型保存格式，具有獲取方式多樣、保存方便等特點(diǎn)。本文使用的3ds文件通過3ds max建模獲得，建模過程在此不再詳細(xì)說明。

3ds文件由許多“塊”組成，是一個(gè)塊的嵌套結(jié)構(gòu)。每一個(gè)“塊”由兩部分組成：ID和下一個(gè)數(shù)據(jù)塊的位置[4]。基本塊包含兩個(gè)主塊，分別是3D編輯器塊和關(guān)鍵幀塊，前者ID是0x3D3D，后者ID是0xB000。在3D編輯器塊中，有圖形的頂點(diǎn)列表、三角形列表、面列表、材質(zhì)、顏色等信息。接下來描述該塊的數(shù)據(jù)信息及其子塊，子塊的描述與上一級(jí)塊相同。但不是所有的塊都含有子塊，可以用塊的長(zhǎng)度與偏移量（如表中的 6+n）比較來判斷是否包含子塊[5]。本文主要用到的是3D編輯器塊?！皦K”的定義如表1。

表1 3ds文件結(jié)構(gòu)

2 3ds文件的讀取和控制

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3ds文件都是按照塊模式存儲(chǔ)，因此可將塊結(jié)構(gòu)定義如下：

struct t_Chunk

{

unsigned short int ID; //塊的ID

unsigned int length; //塊的ID

unsigned int bytes_Read; //塊讀入的字節(jié)數(shù)

};

在數(shù)據(jù)的讀取過程中抽象出二、三維點(diǎn)、面和材質(zhì)信息結(jié)構(gòu)模型，然后得出三維對(duì)象模型定義如下：

struct t_3DObject

{

int num_Verts; //點(diǎn)的個(gè)數(shù)

int num_Faces; //面的個(gè)數(shù)

int numTexVertex; //材質(zhì)坐標(biāo)的個(gè)數(shù)

int materialID; //材質(zhì)的ID

char strName[255]; //對(duì)象的名稱

CVector3 *pVerts; //對(duì)象的頂點(diǎn)

CVector3 *pNormals; //對(duì)象的法線

CVector2 *pTexVerts; //紋理的UV坐標(biāo)

t_Face *pFaces; //對(duì)象的面信息

};

然后再由對(duì)象模型抽象和繪制出整個(gè)場(chǎng)景，獲得整個(gè)場(chǎng)景的畫面。下面為三維模型的定義：

struct t_3DModel

{

int num_Objects; //對(duì)象的個(gè)數(shù)

int num_Materials; //材質(zhì)的個(gè)數(shù)

vector＜t_MaterialInfo> pMaterials;

//材料信息的列表(材質(zhì)和顏色)

vector＜t_3DObject> pObject;

//模型的對(duì)象列表

}

2.2 讀取流程

3ds文件由chunk構(gòu)成，每一個(gè)chunk包括一個(gè)頭和一個(gè)主體，chunk的頭又由兩部分組成：塊的ID，chunk的長(zhǎng)度[6]。chunk是相互嵌套的，這就要求必須以遞歸的方式進(jìn)行讀取，主要涉及RGB顏色、燈光、頂點(diǎn)、面、UV坐標(biāo)、材質(zhì)、紋理坐標(biāo)等，詳細(xì)讀取過程見圖1。

圖1 讀取流程

2.3 定 位

在GRID地形上模擬三維實(shí)體模型的行進(jìn)過程，需要解決的關(guān)鍵問題是如何將其在凸凹不平的GRID地形上停放。本文將越野車作為三維實(shí)體進(jìn)行研究，首先把越野車抽象成一個(gè)長(zhǎng)方體，然后判斷長(zhǎng)方體的下表面是否和地表該點(diǎn)的貼面重合，若重合則表明可以實(shí)現(xiàn)停放，亦即只要長(zhǎng)方體下表面的法線方向和地面點(diǎn)的法線方向一致，就可實(shí)現(xiàn)停放。具體旋轉(zhuǎn)只需要知道該點(diǎn)地形的坡度和坡向的兩個(gè)角度值，就可以通過OpenGL中的旋轉(zhuǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)。其中，越野車在GRID地形上行進(jìn)時(shí)坡度和坡向的計(jì)算可分為以下3種情況（圖2）。

圖2 格網(wǎng)示意圖

1）當(dāng)越野車（點(diǎn)5）到達(dá)一個(gè)正方形表面時(shí)（圖2a），可由正方形表面的法線方向得到坡度S和坡向A的信息。

2）當(dāng)越野車（點(diǎn)5）到達(dá)兩個(gè)正方形邊界時(shí)（除頂點(diǎn)外）（圖2b），可以將兩個(gè)正方形表面的單位法線的平均值作為邊界上點(diǎn)的法線方向?？捎牲c(diǎn)5的法線得到坡度S、坡向A。

3）當(dāng)越野車到達(dá)四個(gè)正方形的共享頂點(diǎn)5時(shí)（圖2c），由于點(diǎn)5的坡度S、坡向A可以看作地形曲面函數(shù)Z = f ( x , y )在東西、南北方向上高程變化率的函數(shù)[7,8]，即式中，fx和fy分別為東西、南北方向上的高程變化率。本文中fx和fy的計(jì)算由相鄰的2個(gè)點(diǎn)獲得其在2個(gè)方向上的變化率。例如圖中點(diǎn)5的變化率由點(diǎn)2和點(diǎn)8、點(diǎn)4和點(diǎn)6獲得其在東西、南北兩個(gè)方向上的變化率[9,10]。

一般情況下，車的動(dòng)力是有限的，以我國(guó)現(xiàn)行最大坡度建議值[11]為例，若車速100 km/h，坡度建議值imax為5，坡度大于這個(gè)建議值時(shí)停止移動(dòng)。

2.4 其他操作控制

本文對(duì)3ds模型在GRID地形中轉(zhuǎn)彎采用旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行控制。在坐標(biāo)系統(tǒng)中，順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正，在此設(shè)定一個(gè)角速度去控制它旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)角速度為正時(shí)為左轉(zhuǎn)彎，反之為右轉(zhuǎn)彎。此外還實(shí)現(xiàn)了勻速、加速行駛等功能，加速采用設(shè)定加速度累加方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)定最大速度進(jìn)行限制。

整個(gè)場(chǎng)景的放大、縮小、改變視角旋轉(zhuǎn)等操作都是通過相應(yīng)的矩陣進(jìn)行控制[3-4]。

3 實(shí) 驗(yàn)

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先讀入一個(gè)越野車模型的3ds文件，然后對(duì)其添加控制，使之可以隨GRID地表起伏，對(duì)正常的行進(jìn)過程進(jìn)行模擬。在此把越野車模型抽象為一個(gè)長(zhǎng)方形，在模擬地形上移動(dòng)過程時(shí)對(duì)其左右方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制（左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎），對(duì)車頭和車尾隨地表起伏上下偏移進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，然后在移動(dòng)過程中確定越野車模型在每個(gè)點(diǎn)的位置和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并進(jìn)行顯示。整體效果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體效果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于OpenGL技術(shù)在VC中實(shí)現(xiàn)3ds文件的瀏覽和交互控制，并實(shí)現(xiàn)越野車模型在簡(jiǎn)單GRID地形中的正常移動(dòng)，著重講解了3ds文件的讀取過程和模型在其中的控制方法，及其坡度坡向?qū)δＰ驮谝苿?dòng)過程中的影響。該技術(shù)可以有效地模擬三維模型的構(gòu)建，

及其動(dòng)態(tài)顯示和移動(dòng)過程，方法簡(jiǎn)單直觀，與地形表面的貼合程度效果好，效率較高，極大地縮短了三維開發(fā)的周期，對(duì)三維建模及動(dòng)態(tài)交互控制方面的研究具有借鑒意義。

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P208

B

1672-4623（2014）05-0082-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.029

肖坤，碩士，主要從事三維GIS的開發(fā)工作。

2014-03-24。

項(xiàng)目來源：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAB05B01）。