基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究

顧灝

摘要：本文首先概括介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和OpenGL技術(shù)，然后給出了在Visual C++ 2019平臺(tái)下運(yùn)用OpenGL實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本過程和方法，探討了構(gòu)建過程中的一些技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);OpenGL;三維建模

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)與我們的生活日益密切。它已成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)界廣泛關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，意指“計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中用戶是投入到這個(gè)環(huán)境中去并能體驗(yàn)到‘身臨其境’的感覺，人與計(jì)算機(jī)之間的交互極為自然”，虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)改變了人們傳統(tǒng)的思維方式，使人、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境緊密的結(jié)合起來，現(xiàn)已延伸到娛樂、醫(yī)療、軍事、建筑、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。

目前，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究越來越廣泛，越來越深入。本文使用OpenGL和VC++工具，開發(fā)出一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本過程為：首先進(jìn)行素材收集和處理，用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)景拍照、再利用Photoshop圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行加工處理，然后在3dsMax中建模并進(jìn)行優(yōu)化處理，最后利用OpenGL和VC++進(jìn)行三維編程實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)。

2OpenGL技術(shù)

OpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個(gè)性能卓越的三維圖形庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)高性能的圖形開發(fā)軟件包。它是在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GI三位圖形庫(kù)為基礎(chǔ)的制定的一個(gè)通用共享的開方式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。

OpenGL靈活方便地實(shí)現(xiàn)了二維和三維的高級(jí)圖形技術(shù)，在性能上表現(xiàn)的異常優(yōu)越。它具有建模、變換、光線處理、色彩處理、動(dòng)畫以及更先進(jìn)的能力，如紋理映射、物體運(yùn)動(dòng)模糊效果和霧化效果等。OpenGL為實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果，建立交互的三維場(chǎng)景提供了優(yōu)秀的軟件工具。

OpenGL為應(yīng)用程序員提供了程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口，定義了一個(gè)獨(dú)立于語(yǔ)言的圖形核心系統(tǒng)。因此OpenGL可以與Visual C++緊密接口，該接口由幾百個(gè)函數(shù)組成，利用這些函數(shù)，把OpenGL嵌入Visual C++之中，用戶可創(chuàng)建出高質(zhì)量的三維圖形。

3模型構(gòu)建與優(yōu)化

在實(shí)際的三維圖形程序中，需要構(gòu)建的三維模型一般比較復(fù)雜，但OpenGL的建模功能并不是很強(qiáng)大，所以需與其它功能強(qiáng)大的三維建模軟件結(jié)合。3dsMax正是制作復(fù)雜三維建筑模型的理想工具。

下面介紹一下建筑物實(shí)例的實(shí)現(xiàn)過程：

（1）資料收集與準(zhǔn)備

建筑物數(shù)據(jù)一般是利用現(xiàn)有的地圖等空間數(shù)據(jù)，主要包括地形圖和最新的規(guī)劃圖。建筑物紋理是建筑物三維模型的重要組成部分，紋理數(shù)據(jù)主要通過拍攝的數(shù)碼相片獲取，它直接影響著三維場(chǎng)景的顯示效果。

（2）在AutoCAD里進(jìn)行二維平面建模

把收集到的規(guī)劃圖導(dǎo)入到AutoCAD軟件中，描出建筑物和道路等的平面位置，進(jìn)行二維平面建模。

（3）在PhotoShop里制作材質(zhì)貼圖

為了增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感，要采用大量的紋理貼圖。模型的紋理來自建筑效果圖和使用數(shù)碼相機(jī)獲得的紋理照片，對(duì)紋理數(shù)據(jù)的采集，一般是數(shù)碼相機(jī)拍攝出各個(gè)面的正攝影像。當(dāng)然，獲得的紋理照片需要經(jīng)過PhotoShop軟件的進(jìn)一步地修整和校正。

（4）在3DSMAX里進(jìn)行幾何建模和場(chǎng)景材質(zhì)貼圖

在3DSMAX里導(dǎo)入CAD平面圖，對(duì)其進(jìn)行幾何建模，在此過程中用到的命令有描邊、擠出、拉伸、位移等。在建好簡(jiǎn)單的三維立體模型之后，對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)貼圖，以使模型具有較強(qiáng)的真實(shí)感。對(duì)于某些細(xì)節(jié)可以不必建模，直接用圖來模仿，比如花壇里植被的建模就是直接在一個(gè)矩形上貼上對(duì)應(yīng)的圖片來近似生成的。在賦材質(zhì)時(shí)候，可利用UV編輯器和透明貼圖通道的調(diào)節(jié)，來使模型達(dá)到更為真實(shí)的感覺。

（5） 把模型導(dǎo)出為3ds格式文件

整個(gè)場(chǎng)景模型完成后，在3DSMAX 中將模型用 Export命令導(dǎo)出為 3DS 文件格式。這樣，因?yàn)橄到y(tǒng)提供了可以導(dǎo)入3ds文件的接口，所以可以很方便地打開建好的模型。

下面為在3D Studio Max建立的模型效果圖：

4系統(tǒng)組成與功能模塊

本系統(tǒng)是在Windows XP 操作系統(tǒng)下，基于Visual C++6.0平臺(tái)，調(diào)用OpenGL 函數(shù)庫(kù)的函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，在建立模型時(shí)采用了3dmax軟件。

系統(tǒng)可以導(dǎo)入3ds格式的三維模型，在系統(tǒng)中重繪，顯示不錯(cuò)的三維效果。用戶可以對(duì)模型進(jìn)行一定的處理和控制，這些處理和控制包括對(duì)象的材質(zhì)編輯、場(chǎng)景中的燈光進(jìn)行控制、利用鼠標(biāo)來對(duì)視點(diǎn)進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)漫游功能等等。依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能可以將整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，即：3DS文件的導(dǎo)入模塊、材質(zhì)、光照處理模塊、多視點(diǎn)觀察模塊。

本系統(tǒng)的功能模塊框架如下圖所示。

5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1構(gòu)建OpenGL圖形開發(fā)環(huán)境

（1）創(chuàng)建MFC界面，向工程中添加OpenGL編譯鏈接庫(kù)opengl32.lib、glu32.lib、glaux.lib、glut32.lib，并確保在系統(tǒng)的system32目錄下有下列動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件的存在：glu.dll、glu32.dll、glut.dll、glut32.dll、opengl32.dll。

（2）編寫創(chuàng)建函數(shù)。因?yàn)镺penGL僅能在客戶窗口中繪圖而無法在該窗口的子窗口和兄弟窗口中繪圖，所以必須在客戶區(qū)域中加以去除。本程序在VIEW類的PreCreateWindow（）函數(shù)中添加下面語(yǔ)句來實(shí)現(xiàn)：

cs.style |=WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS;

（3）設(shè)置像素格式，創(chuàng)建繪制描述表。這一過程在視圖類里的OnCreate函數(shù)中通過調(diào)用獨(dú)立出來的CreateOpenGL（）來實(shí)現(xiàn)。OpenGL依賴?yán)L制描述表操作顯示硬件，因此調(diào)用OpenGL命令前，必須創(chuàng)建繪制描述表并使其成為當(dāng)前的繪制描述表，即m_hRC = wglCreateContext（ hDC ）;wglMakeCurrent（ hDC，m_hRC ）;

（4）定義當(dāng)前視區(qū)及投影模式等。這些操作在對(duì)WM_SIZE消息的處理函數(shù)OnSize（）中體現(xiàn)，在其中調(diào)用glViewport（）函數(shù)對(duì)創(chuàng)建的窗口變換進(jìn)行更改以適應(yīng)窗口大小的改變。還可以通過gluPerspective（）函數(shù)重新設(shè)置投影變換，使得當(dāng)窗口的大小發(fā)生改變時(shí)，顯示在窗口中的場(chǎng)景不會(huì)發(fā)生扭曲。

（5）填充背景色，進(jìn)行一些OpenGL繪制前的初始化工作。當(dāng)需要重新設(shè)置窗口背景時(shí)，產(chǎn)生WM_ERASEBKGND消息。處理該消息的缺省操作是用當(dāng)前背景色填充整個(gè)窗口。OpenGL用glClear（）函數(shù)來執(zhí)行類似操作，所以要對(duì)WM ERASEBKGND的消息處理函數(shù)做適當(dāng)改變：注釋掉OnEraseBKgnd（）函數(shù)中所有的語(yǔ)句，添加return TRUE語(yǔ)句，使該函數(shù)不執(zhí)行操作，僅返回TRUE值。

（6）繪制場(chǎng)景，最后刪除繪制描述表。所有的OpenGL的繪制操作都必須放在OnDraw（）函數(shù)中。在窗口銷毀時(shí)會(huì)觸發(fā)WM_DESTROY消息的處理函數(shù)，因此我們?cè)谠摵瘮?shù)中刪除繪制描述表。

5.2功能模塊實(shí)現(xiàn)

（1） 3DS文件的導(dǎo)入模塊：主要用于從外部導(dǎo)入3DS格式的模型，還可以有選擇性的導(dǎo)入模型中的某些對(duì)象。系統(tǒng)對(duì)3DS文件中的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，并依靠系統(tǒng)提供的函數(shù)將其導(dǎo)入系統(tǒng)自有的數(shù)據(jù)模型。另外，在將三維模型輸入的同時(shí)考慮到了模型本身的紋理，并開辟了紋理存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的紋理。3DS的文件格式是分塊的層次結(jié)構(gòu)，我們不需要讀出所有的這些塊信息，而是根據(jù)需要讀出其中某些塊。一般來說，3ds文件中的對(duì)象塊、顏色塊和材質(zhì)塊信息是最重要的，所以要在程序中讀入。在本程序中定義一個(gè)類Import3ds用于3ds 文件的讀入。在這個(gè)類中，用到了read_chunk（）、load_object（）、load_material（）、object3d等函數(shù)。這些函數(shù)將3DS中需要的塊數(shù)據(jù)讀出并存儲(chǔ)在自己組織的數(shù)據(jù)格式中。其中函數(shù)read_chunk（）的主要功能是讀3ds文件中的塊，為了遍歷文件中的所有塊，使用了jump_chunk（）函數(shù)來進(jìn)行的塊讀取的跳轉(zhuǎn)，直至將所有塊的數(shù)據(jù)全部讀出來。

（2）材質(zhì)和光照等處理模塊：包括修改光照和材質(zhì)、背景修改、攝像機(jī)重置等功能，主要用于設(shè)置環(huán)境光、漫射光和鏡面光，使對(duì)象具有不同的材質(zhì)特征，在編輯過程中，可以將編輯結(jié)果實(shí)時(shí)地反映到場(chǎng)景中的對(duì)象中。這個(gè)模塊用到的對(duì)話框均為無模對(duì)話框，首先構(gòu)造一個(gè)對(duì)話框?qū)ο?，然后調(diào)用成員函數(shù)Create來創(chuàng)建對(duì)話框窗口。此時(shí)對(duì)話框?qū)⒊霈F(xiàn)在屏幕上，但Create函數(shù)已返回，在銷毀該對(duì)話框窗口時(shí)，調(diào)用DesrtoyWindow函數(shù)。

（3）多視點(diǎn)觀察模塊：借助這個(gè)模塊的功能，可以更好地觀察場(chǎng)景中的各個(gè)對(duì)象。這一模塊功能是通過設(shè)置一個(gè)可以變換位置的“攝像機(jī)”來完成的，這個(gè)攝像機(jī)在類Camera中定義，其中一些函數(shù)改變“攝像機(jī)”的狀態(tài)。攝像機(jī)視點(diǎn)控制要求系統(tǒng)可以利用系統(tǒng)輸入設(shè)備鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)視點(diǎn)控制。系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)鼠標(biāo)的輸入信號(hào)，根據(jù)信號(hào)控制攝像機(jī)的狀態(tài)。主要控制方法有旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)、繞一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)、平移攝像機(jī)等。其中還實(shí)現(xiàn)了通過鼠標(biāo)改變“攝像機(jī)”的狀態(tài)，從而可以多視點(diǎn)觀察整個(gè)場(chǎng)景。

5.3系統(tǒng)運(yùn)行界面

本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行效果如下圖所示。

6結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種構(gòu)建桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本過程和實(shí)現(xiàn)方法，OpenGL和3dsMax結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維仿真既利用了3dsMax建立模型方便快捷的特點(diǎn)，又利用了OpenGL容易實(shí)現(xiàn)交互性的特點(diǎn)，可以方便地在不同平臺(tái)和系統(tǒng)間移植。同時(shí)，系統(tǒng)提供3ds導(dǎo)入接口，還能夠利用已有的3ds模型。這種方法系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單方便，通用性好，對(duì)于快速開發(fā)可視化系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

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