化工仿真中圖像翻轉(zhuǎn)變換圖形學(xué)編程研究

何杰 王大立 袁紅 姜國平

摘 要：OpenGL和OpenCV特有開源庫函數(shù)被用于圖像變換，顯示了高效、便捷性。文章面向紋理貼圖應(yīng)用，對位圖文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡解析;依據(jù)圖像顏色點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，用C++結(jié)合OpenCV編寫了位圖鏡像變換程序。通過調(diào)用OpenCV庫函數(shù)，所編鏡像變換程序代碼更簡單，功能更完備，不僅可被用于處理*.bmp格式圖片，還能被用于處理*.jpg， *.png， *.webp， *.pbm， *.pgm， *.sr， *.ras， *.tiff， *.tif等格式圖片?；贠penCV函數(shù)庫，易于快速編程實(shí)現(xiàn)各種圖像變換且效果較好，為進(jìn)一步應(yīng)用研究打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：圖形學(xué)編程;鏡像;像素讀寫;位圖;OpenCV;化工仿真;虛擬現(xiàn)實(shí)

0? ? 引言

實(shí)際物體表面有豐富紋理，要繪制逼真的3D物體，除光照處理外，還要給其表面附上紋理特征，用到“紋理貼圖”技術(shù)[1-2]。OpenGL（Open Graphics Library）是被用于渲染2D、3D矢量圖形、跨語言、跨平臺的應(yīng)用程序編程接口，常被用于CAD、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)可視化程序和電游開發(fā)。其關(guān)聯(lián)軟件有很好的移植性。簡單說，OpenGL與硬件無關(guān)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。OpenCV（Open Source Computer Vision Library）廣受歡迎，源代碼開放，可被用于開發(fā)實(shí)時(shí)圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺及模式識別程序，在工業(yè)界及科研領(lǐng)域被廣泛采用。OpenGL提供了位圖操作函數(shù)。利用其紋理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)[3-5]。利用OpenCV函數(shù)庫，可以較好地實(shí)現(xiàn)各種格式圖片空間幾何、色彩、明暗等變換操作[6]。

尹航等[7]討論了在VS2005環(huán)境下借助OpenGL和第三方庫CxImage（圖像操作類庫），利用PNG圖片進(jìn)行紋理映射。袁亮等[1]為了實(shí)現(xiàn)二次曲面紋理映射，在分析OpenGL紋理映射技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了球形曲面紋理坐標(biāo)生成和設(shè)置;然后，利用OpenGL函數(shù)庫，在VC++環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)天線罩迷彩紋理貼圖。薛兆井? ?等[3]研究了基于OpenGL讀取bmp圖像實(shí)現(xiàn)紋理映射的一種新方法。韓姣[8]探討了在VC++環(huán)境下bmp與gif圖像文件格式轉(zhuǎn)換，編程實(shí)現(xiàn)了bmp圖像讀取、顯示和保存等相關(guān)操作。文章面向紋理貼圖應(yīng)用，探討了圖像鏡像變換圖形學(xué)編程技術(shù)。

1? ? Bitmap-file解析

用WinHex查看一24-bit Bitmap file（圖1），知它每行? ?420 pixels（width）×3 Bytes/pixel=1 260 Bytes，能被4整除，不用進(jìn)行補(bǔ)位。對此圖變換無須考慮這些無效或冗余填充數(shù)據(jù)。本Bitmap file總大小為420 pixels（寬）*534 pixels（高）*3 Bytes/pixel+14 Bytes（size of bitmap-file header）+? ? 40 Bytes（size of bitmap-information header）+2（Photoshop圖像整體補(bǔ)位） =672 896 Bytes，或672 896 Bytes/1 024 Bytes/KB≈657 KB。圖像大小為672 837/3+1 =224 280 pixels=? ? ? ? 420 pixels（寬）*534 pixels（高）。

2? ? 位圖鏡像變換機(jī)理與編程實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，其像素?cái)?shù)據(jù)寫入順序統(tǒng)一為“左右下上”。區(qū)別是像素?cái)?shù)據(jù)讀取次序，對于原圖輸出，其順序是“左右下上”，而對于鏡像變換，為“右左下上”?；蛘哒f，其逐行像素信息被左右對換了。按一定次序，程序首先提取源圖右下角單元格數(shù)據(jù)，寫入鏡像圖左下角單元格內(nèi)，以此類推。表達(dá)式“bmpImg->imageData[i * width * 3 + j * 3 + k] = pixVal;”引用了指針bmpImg指向的結(jié)構(gòu)體IMAGE成員imageData。

3? ? OpenCV應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用C++結(jié)合OpenCV混合編程（Win7_64-bit System，VS2019+OpenCV4.3.0）可以更方便地對圖片進(jìn)行鏡像變換。其變換機(jī)制與程序注解如下：

3.1? 讀取圖像

Mat src = imread（“kneader.jpg”， CV_LOAD_IMAGE_UNCHANGED）; Imread（ ）函數(shù)經(jīng)常與imshow（“src”， src）; 配合使用?？梢岳斫釳at為一個(gè)數(shù)據(jù)存儲容器，定義了一個(gè)src對象來存儲圖像數(shù)據(jù)。Mat類能夠自動(dòng)管理內(nèi)存。

3.2? 創(chuàng)建矩陣

inline void Mat：：create（Size _sz， int _type）Mat類是一個(gè)矩陣圖像類，由兩部分組成：矩陣頭，包含矩陣尺寸、存儲方法、存儲地址等信息，和一個(gè)指向存儲圖像中所有像素的矩陣體。例如，“cv：：Mat dstImg;”僅創(chuàng)建了圖像矩陣信息頭部分，并未創(chuàng)建矩陣體。因此，cv：：Mat：：create（ ）函數(shù)作用就很清楚了，創(chuàng)建一個(gè)指定大?。⊿ize），指定類型type（CV_8UC1， CV_16SC1， CV_32FC3）的圖像矩陣體。

3.3? 鏡像生成

for （ init; condition; increment ） {? statement（s）; }鏡像生成主代碼被包含在C++ for循環(huán)內(nèi)，如圖2所示。鏡像變換基本機(jī)制是，保持兩圖像素橫坐標(biāo)值不變，縱坐標(biāo)值次序發(fā)生順逆轉(zhuǎn)化。Mat類提供了一個(gè)at方法，SrcImage.at（i，j）訪問圖像第i行j列像素，SrcImage.at（i，j）[k]讀取彩圖第i行j列k通道顏色點(diǎn)數(shù)據(jù)。Vec3b是圖像像素值類型。

3.4? 像素重映射

remap（src， dst， map_x， map_y， CV_INTER_LINEAR）; 圖像坐標(biāo)映射關(guān)聯(lián)有兩種，一種是計(jì)算源圖任意像素在映射后圖像坐標(biāo)位置，另一種是計(jì)算變換后圖像任意像素被反映射在源圖坐標(biāo)位置。重映射就是把一圖中某位置像素“放置”到另一圖指定位置的過程。為了完成重映射有必要獲得一些插值作為非整數(shù)像素坐標(biāo)，因?yàn)樵磮D、目標(biāo)圖像素坐標(biāo)非一一對應(yīng)。通過重映射來表達(dá)每個(gè)像素新位置g（x，y），滿足g（x，y）=f（h（x，y））。h（x，y）是作用于（x，y）的映射方法函數(shù)。最后，用imshow（ ）顯示圖像;用waitkey（0）使圖像顯示保持，而非一閃而過。

4? ? 結(jié)語

紋理映射能極大地提高虛擬物體真實(shí)感。為使化工仿真更真實(shí)，可以將實(shí)物圖用作紋理圖。在對bmp圖及其他格式圖像變換方面，本研究主要內(nèi)容、結(jié)論有：

（1）用WinHex查閱了一例圖Bitmap-file，解析了Bitmap-file數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)。明確了Bitmap像素點(diǎn)與Bitmap-file中像素點(diǎn)陣數(shù)據(jù)一一對應(yīng)關(guān)系?；趫D像顏色點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，用Visual Studio 2013中Visual C++結(jié)合OpenGL編寫了位圖鏡像生成程序;

（2）基于位圖像素?cái)?shù)據(jù)讀寫函數(shù)fread與fwrite，設(shè)計(jì)了特定像素?cái)?shù)據(jù)讀寫順序，實(shí)現(xiàn)了位圖鏡像變換;

（3）在Microsoft Visual C++編譯環(huán)境下，采用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫混合編程，高效、便捷實(shí)現(xiàn)了圖像鏡像變換;

（4）紋理映射可以賦予化工設(shè)備、管道、框架、廠房、場景真實(shí)感，運(yùn)用圖形學(xué)編程對各種實(shí)物圖片進(jìn)行靈活變換有利于更好地應(yīng)用紋理映射。

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁亮，張兵，李廣強(qiáng).OpenGL二次曲面紋理映射技術(shù)分析與應(yīng)用[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（5）：376-378.

[2]唐聰.基于OpenGL的三維場景可視化仿真[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]薛兆井，胡平平.基于OpenGL讀取bmp實(shí)現(xiàn)紋理映射的方法[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2009（9）：40-41.

[4]趙方，張軍和，彭亞雄.基于OpenGL紋理映射反走樣技術(shù)的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2011（17）：4160-4161，4164.

[5]吳發(fā)輝，張玲，余文森.基于圖形學(xué)算法的紋理映射技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018（24）：71-74.

[6]趙浩杰，金德智，李彥杰.基于OpenCV的彩色目標(biāo)識別[J].中國科技信息，2016（2）：36-37.

[7]尹航，李義杰，孫健超.基于OpenGL的PNG紋理映射的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（7）：182-185.

[8]韓姣.基于VC++的BMP格式圖像與GIF格式圖像轉(zhuǎn)換 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2007（12）：23-25，30.

（編輯 王雪芬）