【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 現(xiàn)繪圖的原理和過(guò)程 4 模式。 RGBA 模式 為每個(gè)像素點(diǎn)指定顏色，而 顏色索引 模式則提供一個(gè)顏色表，各像素點(diǎn)通過(guò)索引顏色表得到顏色值。 4. 光照和材質(zhì)設(shè)置： OpenGL 假設(shè)光由三原色（ RGB）組成，物體對(duì)三原色分別有不同的反射率，通過(guò)物理光學(xué)模型，計(jì)算物體實(shí)際顏色。 5. 紋理映射： OpenGL 提供了完善的紋理映射機(jī)制 可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì) 節(jié)。 6. 位圖顯示： OpenGL 提供基本的拷貝和像素讀寫能力。 7. 圖像增強(qiáng)： OpenGL 提供融合 、 霧和反走樣這三種特殊圖像效果處理，使被仿真物體更具真實(shí)感，增加圖形顯示效果。 8. 雙緩沖動(dòng)畫：雙緩沖技術(shù)是 OpenGL 出色的動(dòng)畫效果的重要保障。 OpenGL 繪圖前會(huì)先分配兩個(gè)顏色緩沖區(qū)，在繪圖時(shí)，一個(gè)緩沖區(qū)執(zhí)行繪圖命令（后臺(tái)），另一個(gè)進(jìn)行圖形顯示（前臺(tái)）。循環(huán)反復(fù)，保證屏幕（前臺(tái)）上總是顯示已經(jīng)畫好的圖形，以此實(shí)現(xiàn)圖形顯示的連續(xù)變化，達(dá)到動(dòng)畫效果，其中動(dòng)畫交換幀函數(shù)為 SwapBuffers(g_hDC)。此外，利用 OpenGL還能實(shí)現(xiàn)深度暗示、運(yùn)動(dòng)模糊等特殊效果，從而實(shí)現(xiàn)消隱算法 [6]。 在本文 應(yīng)用程序編寫過(guò)程中主要需要使用到建模、矩陣變換、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、位圖顯示及雙緩沖動(dòng)畫等功能。 OpenGL圖形顯示方式 絕大多數(shù) OpenGL 在實(shí)現(xiàn)圖像顯示時(shí)都有相似的操作順序，一系列相關(guān)的處理階段叫做OpenGL 渲染管線 [7]，如圖 1 所示。雖然沒有嚴(yán)格的規(guī)定 OpenGL 必須采用這樣的實(shí)現(xiàn)方式，但是圖 1 所示的順序是一個(gè)已經(jīng)得到證明的可靠的操作順序，所以本次論文中選擇通過(guò)這一順序來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形顯示。 圖 1. OpenGL 渲染管線 幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù) 求值器 圖像像素?cái)?shù)據(jù) 顯示列表 圖像操作 紋理裝配 逐個(gè)頂點(diǎn)操作與圖元裝配 光柵化 幀緩沖區(qū) 片段操作 OpenGL 簡(jiǎn)介及其實(shí)現(xiàn)繪圖的原理和過(guò)程 5 OpenGL 繪圖前期準(zhǔn)備 OpenGL 繪圖的前期準(zhǔn)備的第一步是選擇一個(gè)編譯環(huán)境。 現(xiàn)在 Windows 系統(tǒng)的主流編譯環(huán)境有 Visual Studio， Broland C++ Builder， DevC++等， 這些編譯環(huán)境 都是支持 OpenGL 的 。在本文中，現(xiàn)有的主控制界面的編寫環(huán)境是 VC++，因此同樣選擇 VC++ 作為應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境 。 第二步是要安裝導(dǎo)入 OpenGL 工具包。幾乎對(duì)于所有的 OpenGL 應(yīng)用程序，在使用之前都需要導(dǎo)入 OpenGL 頭文件和工具函數(shù)庫(kù)（ GLU） ,本文中編寫程序的過(guò)程也不例外，另外Microsoft Windows 要求在 OpenGL 頭文件之前包含 頭文件。所以在本文的應(yīng)用程序編程前先將 OpenGL 頭文件和 GLU 導(dǎo)入程序目錄下，然后在源代碼開頭編寫以下代碼： include include include\opengl\ include include\opengl\ include include\opengl\ include include\opengl\ include include\opengl\ include include\opengl\ 第三步是建立 OpenGL 應(yīng)用程序的框架，也就是創(chuàng)建 OpenGL 窗口并對(duì) OpenGL 進(jìn)行初始化。這部分的具體內(nèi)容在本文第四章中會(huì)有詳細(xì)介紹。 實(shí)時(shí)仿真顯示的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié) 6 第三章 實(shí)時(shí)仿真顯示的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié) 在上一章對(duì) OpenGL 進(jìn)行研究 的 基礎(chǔ)上，本章主要介紹了在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真顯示過(guò)程中使用到的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，為應(yīng)用程序的編寫提供技術(shù)支持。本章首先介紹了本文應(yīng)用程序的 VC++ 開發(fā)環(huán)境 ，然后分析使用多線程技術(shù)鏈接子界面和主控制界面的過(guò)程。由于在使用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真的過(guò)程中涉及各種坐標(biāo)系，在實(shí)際操作中易因?yàn)榛煜a(chǎn)生錯(cuò)誤，所以本章詳細(xì)介紹了本文中用到的幾個(gè)坐標(biāo)。在本章的最后，對(duì) 3DS 模型文件的生成和導(dǎo)入 OpenGL 這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) 進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)本章中內(nèi)容 的研究，為應(yīng)用程序的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。 VC 簡(jiǎn)介 Visual C++ 是 Microsoft 公司推出的一種開發(fā) Windows 應(yīng)用程序的高級(jí)語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的功能和較高的執(zhí)行效率。它提供了程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域中所涉及的多種技術(shù)，如文件訪問，圖形圖像處理，數(shù)據(jù)處理和多媒體等， VC 的開發(fā)對(duì)象幾乎涵蓋所有領(lǐng)域。 VC 是一個(gè)基于 Windows 操作系統(tǒng)的可視化且面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境 [8]，用戶可使用該環(huán)境開發(fā)有關(guān) C 和 C++的各種應(yīng)用程序，包括了建立，編輯，瀏覽 ，保存，編譯，鏈接和測(cè)試等操作。其中應(yīng)用程序的開發(fā)主要有兩種模式： Windows API 方式和 MFC 方式，兩種模式各具特色。 多線程技術(shù) 在一個(gè) 程序 中，獨(dú)立運(yùn)行的程序片斷 被 叫作 “線程 ”（ Thread） [9]。 多線程的基本概念是程序中包含多個(gè)執(zhí)行流，即在一個(gè)程序中可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的線程來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)，也就是說(shuō)允許單個(gè)程序創(chuàng)建多個(gè) 并行執(zhí)行 的線程來(lái)完成各自的任務(wù)。 其目的不是為了提高運(yùn)行效率，而是為了通過(guò)提高資源使用效率來(lái)提高系統(tǒng)的效率。 Win32 多線程技術(shù)提供線程創(chuàng)建，線程掛起，恢復(fù)線程，線程退出、獲取當(dāng)前線程 ID 和條件鎖等基本操作，用戶通過(guò)使用這些操作可以實(shí)現(xiàn)基本功能。 在本文研究中，已經(jīng)存在有主線程。本文為防止 OpenGL 應(yīng)用程序的運(yùn)行對(duì)主線程產(chǎn)生影響，把 OpenGL 應(yīng)用程序獨(dú)立編寫成一個(gè)線程，保證兩個(gè)界面窗口能正常的同時(shí)運(yùn)行。 本文創(chuàng)建線程的具體操作如下： 實(shí)時(shí)仿真顯示的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié) 7 1. 定義一個(gè) OpenGL 線程的入口函數(shù)，代碼如下所示 DWORD WINAPI ThreadFunc1(LPVOID n) { OpenGL_Main()。 return 0。 } 在上 述函數(shù)中， OpenGL_Main()是 OpenGL 應(yīng)用程序的入口函數(shù)。使用線程創(chuàng)建函數(shù)創(chuàng)建子線程后，可以調(diào)用 ThreadFunc1 這個(gè)線程函數(shù)進(jìn)入子線程。 2. 創(chuàng)建線程：用函數(shù) CreateThread(NULL,0,ThreadFunc1,0,0,NULL)創(chuàng)建線程。該線程在點(diǎn)擊了主控制界面中特定的按鈕后開始創(chuàng)建。線程創(chuàng)建之后， OpenGL 窗口打開，開始繪制飛機(jī)模型。窗口打開的具體過(guò)程在第五章中會(huì)詳細(xì)介紹。 本文涉及的坐標(biāo)系 本文需要涉及到坐標(biāo)系的過(guò)程主要是在 OpenGL 窗口中模型的繪制以及模型平移旋轉(zhuǎn)。上述兩個(gè)過(guò)程涉及多個(gè)坐標(biāo)系，在編寫時(shí)需要明確具體涉及哪坐標(biāo)系并根據(jù)該坐標(biāo)系的特點(diǎn)進(jìn)行處理，這樣才能保證程序正確運(yùn)行。 本文涉及的四種 OpenGL 坐標(biāo)系，包括世界坐標(biāo) 、 模型坐標(biāo) 、 設(shè)備坐標(biāo)和視點(diǎn)坐標(biāo)。接下來(lái)對(duì)這四種坐標(biāo)系分別進(jìn)行介紹。 世界坐標(biāo) 是 OpenGL 中用來(lái)描述場(chǎng)景的坐標(biāo)， Z 軸 正方向 垂直屏幕向外， X 軸 正方向 從左到右， Y 軸 正方向 軸從下到上，是右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)。我們用這個(gè)坐標(biāo)系來(lái)描述物體及光源的位置。 模型坐標(biāo)是以模型某一點(diǎn)為原點(diǎn)而建立的“世界坐標(biāo)”，僅對(duì)模型本身適用，用來(lái)方便對(duì)模型坐標(biāo)的描述。模型在 OpenGL 中移動(dòng)時(shí)， 整體的相對(duì)位置是不變的，所以用模型自身的坐標(biāo)來(lái)描述模型，和人的思維習(xí)慣一致。 設(shè)備坐標(biāo)是指將三維的世界坐標(biāo)經(jīng)過(guò)變換 、 投影等計(jì)算后最終算出的在顯示設(shè)備上對(duì)應(yīng)的位置。 視點(diǎn)坐標(biāo)是以視點(diǎn)坐標(biāo)為原點(diǎn)，以視線的方向 為 Z 軸 正方向的坐標(biāo)系。 3DS 格式模型文件的生成 目前使用 OpenGL繪制模型的方法主要有兩種。第一種是使用 OpenGL圖形庫(kù)提供 的 點(diǎn)、線、多邊形 等 基本 圖元 繪制函數(shù) 或者相對(duì) 復(fù)雜的三維物體以及復(fù)雜曲線和曲面的繪制函數(shù) ，實(shí)時(shí)仿真顯示的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié) 8 通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境（主要是 C 語(yǔ)言）進(jìn)行開發(fā)。此方法比較靈活，適用性強(qiáng)，在模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的時(shí)候有明顯的優(yōu)勢(shì)，但要求開發(fā)者熟練掌握編程技術(shù)和 OpenGL，當(dāng)模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的時(shí)候工作量極大，而且并容易出錯(cuò)。另一種方法是使用專業(yè)的三維模型繪制軟件繪制生成 OpenGL 能夠讀取的模型文件，通過(guò)將模型文件導(dǎo)入 OpenGL 實(shí)現(xiàn)模型的繪制。此方法由于其在處理復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)，被廣泛地使用。 圖 2. 3DMAX 中的飛機(jī)模型 在本文的研究中，為保證 OpenGL 中的模型是 飛機(jī)模型實(shí)體按比例縮小的結(jié)果，同時(shí)考慮到已有 SolidWorks 生成的飛機(jī)模型 WRL 格式文件，故而采用第二種方法對(duì)飛機(jī)模型進(jìn)行繪制。 OpenGL 強(qiáng)大的功能使得自身支持 DFX， 3DS 等多種模型文件的導(dǎo)入。由于 3DS 格式文件 Intel式的存儲(chǔ)方式很符合 windows 系統(tǒng)下編程習(xí)慣，不需要對(duì)文件進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，因此本文選擇使用 3DS 格式模型文件導(dǎo)入 OpenGL。為此在應(yīng)用程序編寫前首先需要使用 3D MAX 軟件將原有的飛機(jī)模型 WRL 格式文件轉(zhuǎn)化為 3DS 格式，并且對(duì)模型自身的三維坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。飛機(jī)模型自身坐標(biāo)系 調(diào)整后原點(diǎn)與飛機(jī)重心重合，機(jī)身長(zhǎng)軸及短軸分別與 X，Y 軸重合。原點(diǎn)到機(jī)頭頂點(diǎn)方向?yàn)?X 軸正方向，從飛機(jī)正前方觀察向右為 Y 軸正方向，機(jī)身垂直向下為 Z 軸正方向。最后將生成的 3DS 模型文件命名為“ ”，放在程序目錄下。飛機(jī)