【正文】 .......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 緒 論 1 緒 論 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在圖形 處理領(lǐng)域中的應(yīng)用而發(fā)展起來的一門實(shí)踐性的學(xué)科，是游戲、數(shù)字媒體、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)滲透到科研、工程、商業(yè)、藝術(shù)等社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的幾乎一切領(lǐng)域，并與這些領(lǐng)域的發(fā)展相互推動(dòng)和促進(jìn)。 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以可視的形式加以表達(dá)更容易為人們所理解。因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究目標(biāo)之一便是通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形，并在有關(guān)的設(shè)備上以特定的形式加以顯示。為了方便這一轉(zhuǎn)換過程，避免不必要的重復(fù)勞動(dòng)，人們 設(shè)計(jì)了各種各樣的輔助編程工具，并將它們打包以公共圖庫(kù)的形式加以推介。這些圖庫(kù)的一個(gè)共同特點(diǎn)是：都提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)、線、面、體的建模方法以及一些標(biāo)準(zhǔn)的圖形變換方法，甚至還提供一些外部圖形設(shè)備的訪問接口。不過， OpenGL 走得更遠(yuǎn)。它除了提供上述通用建模和變換方法之外，更提供了光照處理、反走樣、混合、霧化、紋理映射及動(dòng)畫等功能。 OpenGL 被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立于硬件的軟件編程接口，適用于多種不同的計(jì)算環(huán)境，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、圖形工作站、超級(jí)計(jì)算機(jī)及多機(jī)互連的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 OpenGL 應(yīng)用開發(fā)的這種廣泛適應(yīng)性給從事三維 圖形開發(fā)的人員帶來的好處是不言而喻的。同時(shí)， OpenGL 業(yè)已成為廣大圖形開發(fā)人員的必備工具。 OpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個(gè)性能卓越的三維圖形平臺(tái)， OpenGL 的顯著優(yōu)點(diǎn)是作為一個(gè)獨(dú)立的工作平臺(tái)，獨(dú)立于硬件設(shè)備、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，用它編寫的軟件可以在 UNIX、 Windows9 Windows98/NT 等系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)移植，并能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶 /服務(wù)器模式工作，專業(yè)圖形處理、科學(xué)計(jì)算等高端應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)。開發(fā)者可以在多種硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng)下很方便地利用 OpenGL 圖形庫(kù)，創(chuàng)建出具有照片質(zhì)量的、獨(dú)立于 窗口系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)的三維彩色圖形和動(dòng)畫。本課題提出了在 MFC(Microsoft Foundation Class) 的框架下來實(shí)現(xiàn) MFC和 OpenGL 函數(shù)庫(kù)結(jié)合繪制圖形的方法，這種方法有效簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的連接，也符合面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，提高了接口的通用性。 2 1 系統(tǒng)概述 課題研究的背景及意義 近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)不斷普及，創(chuàng)建 虛擬世界 也不斷掀起熱潮，而建立具有真實(shí)感的三維場(chǎng)景是建設(shè) 虛擬世界 的重要一步。為了適應(yīng)未來信息 的需要，必須提高人與信息社會(huì)的接口能力，提高人們對(duì)信息的理解能力。人們不再只要求能夠通過人的視覺、聽覺、觸覺，參與到處理信息環(huán)境中去，而獲得身臨其境的體驗(yàn)。建立一個(gè)多維的信息空間，感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相結(jié)合的綜合集成環(huán)境，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是支撐這個(gè)信息空間的關(guān)鍵技術(shù)。 80 年代末、 90 年代初國(guó)際和國(guó)內(nèi)形成對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的熱潮，為人們帶來了一個(gè)絢麗多彩的虛擬的計(jì)算機(jī)視覺世界。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（ Virtual Reality ，簡(jiǎn)稱 VR）是誕生于 90 年代初的新技術(shù)，近年來在技術(shù)研究領(lǐng)域十分活躍，它匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多 媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合使用了各項(xiàng)最新技術(shù)，融合視、聽、觸覺為一體的模擬現(xiàn)實(shí)的三維空間再現(xiàn)技術(shù)。 圖形圖像制作技術(shù)發(fā)展很快，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、動(dòng)畫、場(chǎng)景漫游等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文主要說明了在 VC++ 環(huán)境下如何使用 OpenGL 生成簡(jiǎn)單的三維圖形，并對(duì)其進(jìn)行消鋸齒處理。在吸取了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)等多領(lǐng)域先進(jìn)理論成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了基于 OpenGL 下場(chǎng)景的研究和實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)理論和技術(shù)。 OpenGL 作為一種圖形與硬件的接口，與其 他圖形程序開發(fā)工具相比較，它提供了眾多圖形函數(shù)，直觀的編程環(huán)境簡(jiǎn)化了三維圖形程序。隨著 3D 游戲越來越多的被開發(fā)，更多的游戲開發(fā)人員選擇 OpenGL 作為開發(fā)工具，以簡(jiǎn)化操作。目前 OpenGL 已成為三維圖形的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。 課題采用 Windows 下 VC++的開發(fā)平臺(tái)，以面向?qū)ο蟮木幊?C++為編程語言，通過調(diào)用 OpenGL 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維圖形的繪制。其中，通過調(diào)用 OpenGl 函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境的處理，渲染出具有真實(shí)感的圖形。 通過在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，首先對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有了新的認(rèn)識(shí)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涵蓋的范圍很廣，其次對(duì)計(jì)算機(jī)圖形 學(xué)研究的一個(gè)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景作了進(jìn)一步的介紹。認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我們現(xiàn)實(shí)生活中的作用日益凸現(xiàn)，尤其在實(shí)現(xiàn)建筑仿真與漫游系統(tǒng)方面非常突出。最后，通過研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)技術(shù)和 OpenGL 圖形軟件包的編程原理和編程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。 3 目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和發(fā)展趨向 可視化是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 我們生活在一個(gè)充滿三維物體的三維世界中，為了使計(jì)算機(jī)能精確地再現(xiàn)這些物體，我們必須能在三維空間描繪這些物體。我們又生活在一個(gè)充滿信息的世界中，能否盡快地理解并運(yùn)用這些信息將直接影響事業(yè)的成敗，所 以我們需要用一種最直接的形式來表示這些信息。 最近幾年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展使得三維表現(xiàn)技術(shù)得以形成，這些三維表現(xiàn)技術(shù)使我們能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，能夠用三維形體來表示復(fù)雜的信息，這種技術(shù)就是可視化 ( Visualization ) 技術(shù)?？梢暬夹g(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對(duì)具有形體的信息進(jìn)行操作，和計(jì)算機(jī)直接交流。這種技術(shù)已經(jīng)把人和機(jī)器的力量以一種直覺而自然的方式加以統(tǒng)一，這種革命性的變化無疑將極大地提高人們的工作效率?？梢暬夹g(shù)賦予人們一種仿真的、三維的并且具有實(shí)時(shí)交互的能力，這樣人們可以在三維圖形 世界中用以前不可想象的手段來獲取信息或發(fā)揮自己創(chuàng)造性的思維。機(jī)械工程師可以從二維平面圖中得以解放直接進(jìn)入三維世界，從而很快得到自己設(shè)計(jì)的三維機(jī)械零件模型。醫(yī)生可以從病人的三維掃描圖象分析病人的病灶。軍事指揮員可以面對(duì)用三維圖形技術(shù)生成的戰(zhàn)場(chǎng)地形，指揮具有真實(shí)感的三維飛機(jī)、軍艦、坦克向目標(biāo)開進(jìn)并分析戰(zhàn)斗方案的效果。 更令人驚奇的是目前正在發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ,它能使人們進(jìn)入一個(gè)三維的、多媒體的虛擬世界，人們可以游歷遠(yuǎn)古時(shí)代的城堡 ,也可以遨游浩翰的太空。所有這些都依賴于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展。人們對(duì) 計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的研究已經(jīng)歷了一個(gè)很長(zhǎng)的歷程，而且形成了許多可視化工具，其中 SGI公司推出的 GL三維圖形庫(kù)表現(xiàn)突出，易于使用而且功能強(qiáng)大。利用 GL 開發(fā)出來的三維應(yīng)用軟件頗受許多專業(yè)技術(shù)人員的喜愛，這些三維應(yīng)用軟件已涉及建筑、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、地球科學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展， GL已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展成為 OpenGL,OpenGL 已被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)，目前包括 ATT 公司 UNIX 軟件實(shí)驗(yàn)室、 IBM 公司、 DEC 公司、 SUN 公司、HP 公司、 Microsoft 公司和 SGI 公司在內(nèi) 的幾家在計(jì)算機(jī)市場(chǎng)占領(lǐng)導(dǎo)地位的大公司都采用了 OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是 ,由于 Microsoft 公司在 Windows NT中提供 OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)， OpenGL 將在微機(jī)中廣泛應(yīng)用，尤其是 OpenGL 三維圖形加速卡和微機(jī)圖形工作站的推出，人們可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維圖形應(yīng)用，如CAD 設(shè)計(jì)、仿真模擬、三維游戲等，從而更有機(jī)會(huì)、更方便地使用 OpenGL 及其應(yīng)用軟件來建立自己的三維圖形世界。 因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱 VR），又稱 靈境技術(shù) ，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。他綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 、 仿真技術(shù) 、 多媒體技術(shù) 、 人工智能 技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 并行處理技術(shù) 和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能 4 夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時(shí)間以及其他客觀限制，感受到真實(shí)世界中無法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。 OpenGL 提供直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境 OpenGL 實(shí)際上是一種圖形與硬件的接口。它包括了 120 個(gè)圖形函數(shù) ,開發(fā)者可以用這些函數(shù)來建立三維模型和進(jìn)行三維實(shí)時(shí)交互。與其他圖 形程序設(shè)計(jì)接口不同 ,OpenGL 提供了十分清晰明了的圖形函數(shù)，因此初學(xué)的程序設(shè)計(jì)員也能利用OpenGL的圖形處理能力和 1670萬種色彩的調(diào)色板很快地設(shè)計(jì)出三維圖形以及三維交互軟件。 OpenGL 強(qiáng)有力的圖形函數(shù)不要求開發(fā)者把三維物體模型的數(shù)據(jù)寫成固定的數(shù)據(jù)格式，這樣開發(fā)者不但可以直接使用自己的數(shù)據(jù) ,而且可以利用其他不同格式的數(shù)據(jù)源。這種靈活性極大地節(jié)省了開發(fā)者的時(shí)間 ,提高了軟件開發(fā)效益。 長(zhǎng)期以來，從事三維圖形開發(fā)的技術(shù)人員都不得不在自己的程序中編寫矩陣變換、外部設(shè)備訪問等函數(shù)，這樣為調(diào)制這些與自己的軟件開 發(fā)目標(biāo)關(guān)系并不十分密切的函數(shù)費(fèi)腦筋，而 OpenGL 正是提供一種直觀的編程環(huán)境，它提供的一系列函數(shù)大大地簡(jiǎn)化了三維圖形程序。 例如： . OpenGL 提供一系列的三維圖形單元供開發(fā)者調(diào)用 . OpenGL 提供一系列的圖形變換函數(shù) . OpenGL 提供一系列的外部設(shè)備訪問函數(shù)，使開發(fā)者可以方便地訪問鼠標(biāo)、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了 OpenGL的技術(shù)優(yōu)勢(shì) ,這也是許多三維圖形開發(fā)者熱衷于 OpenGL 的緣由所在。 OpenGL 成為目前三維圖形開 發(fā)標(biāo)準(zhǔn) 在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，人們就開始從事計(jì)算機(jī)圖形的開發(fā)。直到計(jì)算機(jī)硬軟件和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)高度發(fā)達(dá)的九十年代，人們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)以視覺的形式表現(xiàn)時(shí)是最易理解的，因而三維圖形得以迅猛發(fā)展，于是各種三維圖形工具軟件包相繼推出，如 PHIGS、 PEX、 RenderMan 等。這些三維圖形工具軟件包有些側(cè)重于使用方便 ,有些側(cè)重于渲染效果或與應(yīng)用軟件的連接，但沒有一種三維工具軟件包在交互式三維圖形建模能力、外部設(shè)備管理以及編程方便程度上能夠 OpenGL 相比擬。 OpenGL 經(jīng)過對(duì) GL的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)二維和三維的高級(jí)圖形技術(shù) ，在性能上表現(xiàn)得異常優(yōu)越，它包括建模、變換、光線處理、色彩處理、動(dòng)畫以及更先進(jìn)的能力，如紋理影射、物體運(yùn)動(dòng)模糊等。 OpenGL 的這些能力為實(shí)現(xiàn)逼真的三維渲染效果、建立交互的三維景觀提供了優(yōu)秀的軟件工具。 OpenGL 在硬件、窗口、操作系統(tǒng)方面是相互獨(dú)立的。許多計(jì)算機(jī)公司已經(jīng)把 OpenGL 集成到各種窗口和操作系統(tǒng)中，其中操作系統(tǒng)包括 UNIX、 Windows NT、 DOS 等，窗口系統(tǒng)有 X 窗口、Windows 等。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整功能的圖形處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)與 OpenGL 相關(guān) 5 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：其最底層是圖形硬件，第二層為 操作系統(tǒng)，第三層為窗口系統(tǒng)，第四層為 OpenGL，第五層為應(yīng)用軟件。 OpenGL 是網(wǎng)絡(luò)透明的，在客戶 — 服務(wù)器(ClientServer)體系結(jié)構(gòu)中， OpenGL 允許本地和遠(yuǎn)程繪圖。所以在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，OpenGL在 X窗口、 Windows或其它窗口系統(tǒng)下都可以以一個(gè)獨(dú)立的圖形窗口出現(xiàn)。 OpenGL 作為一個(gè)性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面 (API)而適合于廣泛的計(jì)算環(huán)境，從個(gè)人計(jì)算機(jī)到工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)， OpenGL 都能實(shí)現(xiàn)高性能的三維圖形功能。由于許多在計(jì)算機(jī)界具有領(lǐng)導(dǎo)地位的計(jì)算機(jī)公司紛紛采用 OpenGL作為 三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面， OpenGL 應(yīng)用程序具有廣泛的移植性。因此，OpenGL 已成為目前的三維圖形開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，是從事三維圖形開發(fā)工作的技術(shù)人員所必須掌握的開發(fā)工具。 課題研究的內(nèi)容和技能要求 作為一門新興學(xué)科，可視化技術(shù)所研究的內(nèi)容集中在使抽象的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出客觀世界的繽紛五彩與絢麗多姿。類繁多的信息源產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人腦分析解釋這些數(shù)據(jù)的能力。由于缺乏大量數(shù)據(jù)的有效分析手段，大約有 95%的計(jì)算被浪費(fèi)，這嚴(yán)重阻礙了科學(xué)研究的進(jìn)展。為此，美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)提出了解決方法 —— 可視化?？梢暬夹g(shù)作為 解釋大量數(shù)據(jù)最有效的手段而率先被科學(xué)與工程計(jì)算領(lǐng)域采用，并發(fā)展為當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域 —— 科學(xué)可視化。 可視化把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形，給予人們深刻與意想不到的洞察力，在很多領(lǐng)域使科學(xué)家的研究方式發(fā)生了根本變化?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用大至高速飛行模擬，小至分子結(jié)構(gòu)的演示，無處不在。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，可視化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合使遠(yuǎn)程可視化服務(wù)成為現(xiàn)實(shí)，可視區(qū)域網(wǎng)絡(luò)因此應(yīng)運(yùn)而生。它是 SGI 公司在 20xx 年 3月提出的新理念。它的核心技術(shù)是可視化服務(wù)器硬件和軟件。 科學(xué)可視化的主要過程是建模和渲染。建模是把數(shù)據(jù)映射成物體的幾何圖元。渲染是把 幾何圖元描繪成圖形或圖像。渲染是繪制真實(shí)感圖形的主要技術(shù)。嚴(yán)格地說，渲染就是根據(jù)基于光學(xué)原理的光照模型計(jì)算物體可見面投影到觀察者眼中的光亮度大小和色彩的組成，并把它轉(zhuǎn)換成適合圖形顯示設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一像素的顏色和光照效果，最終生成具有真實(shí)感的圖形。真實(shí)感圖形是通過物體表面的顏色和明暗色調(diào)來表現(xiàn)的