化工仿真中位圖圖形學(xué)編程旋轉(zhuǎn)變換研究

何杰 王大立

摘要：在化工仿真中，為了貼近真實(shí)，可以將實(shí)物圖片貼于所繪化工單元設(shè)備、管道、框架、廠房等結(jié)構(gòu)體表面。BMP圖像可被用作紋理圖。依據(jù)圖像顏色點(diǎn)陣數(shù)據(jù)（WinHex），編寫(xiě)相關(guān)程序可對(duì)位圖進(jìn)行像素級(jí)編輯，實(shí)現(xiàn)如顏色拾取、圖片移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、鏡像、摳圖等變換操作。作者編寫(xiě)了位圖旋轉(zhuǎn)變換操作程序 （Visual C++，OpenGL），為將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)編程用于化工仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究;在程序for循環(huán)主代碼中，用“fread（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， fp）;”讀數(shù)據(jù)，用“fwrite（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， pFile）;”寫(xiě)數(shù)據(jù)。其基本操作過(guò)程與手工刺繡或搭積木類似。讓計(jì)算機(jī)程序組織那些像素點(diǎn)“對(duì)號(hào)入座”，有秩序地從原圖像素網(wǎng)格中取出一個(gè)個(gè)像素單元格，再有秩序地放入變換后圖像像素網(wǎng)格中，實(shí)現(xiàn)預(yù)想像素級(jí)圖像變換操作。

關(guān)鍵詞：圖形學(xué)編程;位圖旋轉(zhuǎn);像素讀寫(xiě);位圖;化工仿真;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TN919.8? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）25-0004-03

在化工設(shè)計(jì)中，常用制圖軟件是AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS， SketchUp等。這些軟件基本共同使用方法是主要通過(guò)操作鼠標(biāo)、鍵盤(pán)直接在電腦屏幕上繪制出各種圖元，即點(diǎn)、線、面、體，再排列、組合，得到特定組合結(jié)構(gòu)、形體、場(chǎng)景，所見(jiàn)即所得。另一區(qū)別制圖方法是，編寫(xiě)、運(yùn)行計(jì)算機(jī)制圖程序，生成目標(biāo)圖形、場(chǎng)景。兩者各有優(yōu)劣。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，需要展現(xiàn)真實(shí)感圖形、場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、動(dòng)畫(huà)、視圖旋轉(zhuǎn)、漫游、科學(xué)計(jì)算可視化、仿真實(shí)驗(yàn)等，后者對(duì)這些提供了可能，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)便捷、高效，程序運(yùn)行流暢、穩(wěn)定[1-6]。它在虛擬現(xiàn)實(shí)、化工仿真中獨(dú)樹(shù)一幟，不容小覷?？伤壳安⒉粸榛I(yè)人員所普遍知曉，也很少被使用。

紋理映射允許把一個(gè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景圖貼于3D結(jié)構(gòu)體表面，更逼真，在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）場(chǎng)景模擬中作用突出。使用OpenGL （Open Graphics Library） 編程接口，能夠增強(qiáng)三維場(chǎng)景真實(shí)性。OpenGL提供了位圖操作函數(shù)。它是被用于渲染2D、3D矢量圖形、跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序編程接口。實(shí)現(xiàn)用C++結(jié)合OpenGL制作出一個(gè)虛擬化工廠，類似使用AutoCAD Plant 3D，可以考慮先用C++結(jié)合OpenGL繪制出化工3D圖形結(jié)構(gòu)單元。然而，相比一般3D建模軟件，OpenGL并非卓爾不群，自成一格。將OpenGL與一般3D建模軟件結(jié)合起來(lái)，相輔相成，更行之有效。柳暗花明又一村，原來(lái)，由于OpenGL是圖形底層圖形庫(kù)，沒(méi)有提供幾何實(shí)體圖元，不能被直接用以描述場(chǎng)景。但是，通過(guò)一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地提取出自AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS等的DXF， 3DS， OBJ， STL模型文件OpenGL頂點(diǎn)數(shù)組，進(jìn)而對(duì)其再處理[7-9]。

宋葉未等[10]對(duì)BMP格式位圖文件結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了一種通用、易于移植的BMP格式位圖文件顯示算法。尹航等[11]討論了在VS2005環(huán)境下借助OpenGL和第三方庫(kù)CxImage，利用PNG圖片進(jìn)行紋理映射。CxImage類庫(kù)是一個(gè)優(yōu)秀圖像操作類庫(kù)，可以被用來(lái)快捷存取、顯示、轉(zhuǎn)換各種圖像。薛兆井等[12]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[13]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。本文作者用C++結(jié)合OpenGL編寫(xiě)了計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了位圖旋轉(zhuǎn)變換操作。

1 Bitmap-File解析

BMP文件由文件頭 （bitmap-file header）、信息頭 （bitmap-information header）、彩色表 （color table） 和位圖數(shù)據(jù) （bitmap data） 四部分組成。如圖1a所示，點(diǎn) （0，0） 和點(diǎn) （514，0） 在其圖像數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)No. 267289 pixel， No. 267803 pixel。其間點(diǎn)數(shù)是（267803-267289）+1=515 points，與例圖寬515 pixels吻合。在圖像數(shù)據(jù)表末，自左向右“F6 F6F6”分別表示該像素顏色BGR值，對(duì)應(yīng)原圖10進(jìn)制RGB分量， “246 246 246”，一致。如圖1b所示，隨意指定原圖中一點(diǎn) （45，194），檢索到該點(diǎn)在圖像數(shù)據(jù)表中相應(yīng)位置。

2 4 Bytes對(duì)齊問(wèn)題

BMP文件有個(gè)重要特性是對(duì)于圖像數(shù)據(jù)區(qū)域，位圖每一行像素所占Byte數(shù)必須被4整除，否則，在該位圖每一行16進(jìn)制碼末尾補(bǔ)1至3 Bytes “00”。“補(bǔ)零”只針對(duì)位圖寬檢驗(yàn)。要行補(bǔ)位是因?yàn)?2位Windows操作系統(tǒng)4-Bytes （32位） 處理速度較快。一個(gè)掃描行所占Byte數(shù)：（biwidth*biBitCount/8+3）/4*4或（biWidth*biBitCount+31）/32*4或（（width*biBitCount+31） >> 5）<< 2。其中，如圖1，其每行數(shù)據(jù)大小為515 pixels×3 Bytes/pixel = 1545 Bytes，不能被4整除，用“000000”補(bǔ)全，變?yōu)?548 Bytes （（515*24+31）/32*4=1548）。第515列為行補(bǔ)位列。同樣，VC++程序讀入BMP圖像，必須把每行Byte數(shù)轉(zhuǎn)換為4整數(shù)倍 （即以long為單位）。

biWidth 圖像寬度，以pixel為單位。

biBitCount bits/pixel

biWidth*biBitCount 一行所占位數(shù)