智能手機(jī)利用OpenGLES實(shí)現(xiàn)室內(nèi)3D全景瀏覽的研究和實(shí)現(xiàn)

摘 要：Android智能手機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的智能手機(jī)平臺(tái)。目前，在Android的平臺(tái)上能將一個(gè)景點(diǎn)制作成360度全景觀賞的APP還很少見，但此類APP可以幫助人們更好了解景區(qū)情況。因此此類APP有一定研究?jī)r(jià)值和實(shí)現(xiàn)必要。本文詳細(xì)介紹了如何利用Android中自帶的OpenGLES庫來實(shí)現(xiàn)360度全景觀賞的功能。為廣大Android智能手機(jī)愛好者提供寶貴的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Android；OpenGLES；360度3D全景；景點(diǎn)觀賞

引言

OpenGLES是（OpenGL for Embedded Systems） 是OpenGL三維圖形API的子集，針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)。因此OpenGLES是OpenGL的裁剪版，OpenGL（Open Graphics Library）是個(gè)定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序接口（API）的規(guī)范，它用于生成二維、三維圖像。這個(gè)接口由近三百五十個(gè)不同的函數(shù)調(diào)用組成，用來從簡(jiǎn)單的圖形比特繪制復(fù)雜的三維景象。

利用OpenGLES來構(gòu)建3D的模型，有利于對(duì)系統(tǒng)GPU的運(yùn)用，可以提高運(yùn)算效率，可以提升生成的三維景象的質(zhì)量。Android中OpenGLES的計(jì)算都基于三角形，多么復(fù)雜的形狀都源于三角形的組合。

由于三角形只需要提供三個(gè)坐標(biāo)（按一定順序）則可以創(chuàng)造一個(gè)唯一的三角形和他的紋理坐標(biāo)。之后我們利用三角形組成多邊形。在OpenGLES的紋理映射的規(guī)則中，根據(jù)提供的按順序的三點(diǎn)坐標(biāo)，可容易對(duì)齊紋理的位置和形狀，這是三角形的優(yōu)勢(shì)。

1 具體原理

1.1 由三角形組成球

之前提過OpenGLES中最小的圖形是三角形，全部的圖形由三角形的組成而成，因此構(gòu)建曲面物體最重要的就是找到將曲面恰當(dāng)拆分成三角形的策略。最基本的策略是首先按照一定的規(guī)則將物體按行和列兩個(gè)方向進(jìn)行拆分，這時(shí)就可以得到很多的小四邊形。然后再將每個(gè)小四邊形拆分成兩個(gè)三角形即可，對(duì)曲面物體進(jìn)行拆分時(shí)，拆分得越細(xì)，最終的繪制結(jié)果就越接近想要結(jié)果，如圖1所示。

圖1 三角形組成球原理圖

從圖1可看出，分的越細(xì)，效果越接近球。但不是越細(xì)越好，分的過多，將導(dǎo)致頂點(diǎn)數(shù)量過多，渲染速度大大降低。我們這里將球看作20面體來細(xì)分。

1.2 從紋理角度解釋球

由于球是由三角形的組合構(gòu)成的20面體，為了將原來準(zhǔn)備好的紋理貼圖，按紋理規(guī)則貼圖到20面體上，OpenGL紋理映射的大致步驟是：（1）創(chuàng)建紋理對(duì)象，并為他指定一個(gè)紋理。（2）確定紋理如何應(yīng)用到每個(gè)像素上。（3）啟用紋理貼圖。（4）繪制場(chǎng)景，提供紋理和幾何坐標(biāo)。由于球是由很多三角形組成，因此紋理指定是也是三角形指定。球形的指定方法如圖2：

圖2 球體頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)生成

從圖2中可以看出，根據(jù)右圖中每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S軸，T軸的位置可以非常方便地計(jì)算出每個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)。而矩形里面的頂點(diǎn)都是通過拓補(bǔ)變換來自于球面上的頂點(diǎn)，與球面上的頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此球面上每個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)就可以很方便的計(jì)算出來。其中，拓補(bǔ)變換是拓補(bǔ)幾何中的一種變換，拓補(bǔ)變換前后的兩個(gè)圖形是拓補(bǔ)全等。簡(jiǎn)單來說拓補(bǔ)變換就是不產(chǎn)生新頂點(diǎn)以及不改變頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間邊連接情況的前提下，任意的將頂點(diǎn)移動(dòng)，這時(shí)連接這些頂點(diǎn)的邊也可能被相應(yīng)的拉伸、縮短和旋轉(zhuǎn)。舉例：圖2中的紋理貼圖（0，1），（0.25，1），（0.5，1），（0.75，1），（1，1）這5個(gè)點(diǎn)，被拓補(bǔ)之后位移成一個(gè)點(diǎn)，他們之間的邊也縮短為0，實(shí)際他們都是南極點(diǎn)。這樣的變換是合理的，因?yàn)榻酉聛頃?huì)提到360度全景拍攝的要點(diǎn)“取材”，是使用了魚眼鏡頭。具體代碼實(shí)現(xiàn)：

GLES20.glUseProgram（mProgram）；

//將最終變換矩陣傳入著色器程序

GLES20.glUniformMatrix4fv（muMVPMatrixHandle， 1， 1， MatrixState.getFinalMatrix（）， 0）；

//將位置、旋轉(zhuǎn)變換矩陣傳入著色器程序

GLES20.glUniformMatrix4fv（muMMatrixHandle， 1， 1， MatrixState.getMMatrix（）， 0）；

//將攝像機(jī)位置傳入著色器程序

GLES20.glUniform3fv（maCameraHandle， 1， MatrixState.cameraFB）； //將光源位置傳入著色器程序

GLES20.glUniform3fv（maSunLightLocationHandle， 1， MatrixState.lightPositionFBSun）；

GLES20.glVertexAttribPointer（//為畫筆指定頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)

maPositionHandle，3，GLES20.GL_FLOAT，1，3*4，

mVertexBuffer）；

GLES20.glVertexAttribPointer（ //為畫筆指定頂點(diǎn)紋理數(shù)據(jù)

maTexCoorHandle，2，GLES20.GL_FLOAT，1，2*4，

mTexCoorBuffe）；

GLES20.glVertexAttribPointer //為畫筆指定頂點(diǎn)法向量數(shù)據(jù)

（maNormalHandle， 4， GLES20.GL_FLOAT， 1，3*4，

mVertexBuffer）； //允許頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)數(shù)組

GLES20.glEnableVertexAttribArray（maPositionHandle）；

GLES20.glEnableVertexAttribArray（maTexCoorHandle）；

GLES20.glEnableVertexAttribArray（maNormalHandle）； //綁定紋理

GLES20.glActiveTexture（GLES20.GL_TEXTURE0）； GLES20.glBindTexture（GLES20.GL_TEXTURE_2D， texId）；

GLES20.glActiveTexture（GLES20.GL_TEXTURE1）；

GLES20.glBindTexture（GLES20.GL_TEXTURE_2D， texIdNight）；

GLES20.glUniform1i（uDayTexHandle， 0）；

GLES20.glUniform1i（uNightTexHandle， 1）；

//繪制三角形

GLES20.glDrawArrays（GLES20.GL_TRIANGLES， 0， vCount）；

……

1.3 360度全景的關(guān)鍵-魚眼鏡頭拍攝

由上文，我們知道紋理左邊再處理時(shí)進(jìn)行了拓補(bǔ)變換，因此我們?nèi)粲闷胀ǖ溺R頭拍攝將會(huì)有一定的變形，雖然圖片的中心“赤道”部分的拓補(bǔ)變換較小，而且我們觀看的大部分內(nèi)容皆在“赤道部分”，但考慮到若想模擬人“抬頭”和“低頭”這2個(gè)動(dòng)作的時(shí)候出現(xiàn)的扭曲，仍應(yīng)采取魚眼鏡頭拍攝更佳。

魚眼鏡頭是一種焦距為16mm或更短的并且視角接近或等于180度。這種攝像鏡頭的前鏡直徑很短且呈拋物狀向鏡頭前部突出。為了達(dá)到180度的超大視角，魚眼鏡頭拍攝得出的照片出了畫面中心的景物不變，其他都發(fā)生了改變，之后我們配合iPhone中的全景拍攝功能，會(huì)發(fā)現(xiàn)出了中心的景物改變不大之外，上下邊緣的景物被拉伸過，經(jīng)過拓補(bǔ)變化則正好還原成正常圖片。如圖3。

圖3 魚眼鏡頭拍攝結(jié)果

從圖3可看出上下是有進(jìn)行過一定的變換，若經(jīng)過拓補(bǔ)變換反而會(huì)使之正常化。

2 測(cè)試結(jié)果

（1）選擇想要看的地方；（2）點(diǎn)擊全景觀賞；（3）可以看到360度的展示。

具體結(jié)果如圖4：

3 結(jié)束語

智能手機(jī)通過OpenGLES將景點(diǎn)360度全方位展示給用戶，主要是利用了曲面體的拆分和紋理的拓補(bǔ)，將紋理圖片貼到球的內(nèi)部。通過這樣的處理，最后我們將攝像機(jī)（Camera）放置在圓心，并設(shè)置觸屏動(dòng)作，以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]吳亞峰.Android3D游戲開發(fā)技術(shù)寶典-OpenGL ES2.0[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012.

[2]李印思.基于OpenGL的三維交互建模技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，2012.

[3]張祖勛，蘇國中，鄭順義，等.OpenGL成像機(jī)理及其與攝影測(cè)量方位元素的相關(guān)分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012.

[4]李保杰，于法展，李戰(zhàn)成，等.基于OpenGL虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006.

[5]馬杰，王晶，黃秋萍.OpenGL ES在Android平臺(tái)上3D繪圖的兩種方式分析與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，12.

作者簡(jiǎn)介：

楊昱 （1969-），男，副教授，研究方向：軟件開發(fā)，文本檢索。