【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 面有不同的朝向，會(huì)表現(xiàn)出不同的亮度；對(duì)于曲面體，表面的顏色會(huì)有光滑過(guò)渡；具有相同幾何形狀但顏色不同的物體，我們可以用其表面的顏色將它們區(qū)別出來(lái)；在不同的光照射下物體表面顯示的顏色和亮度也不同；對(duì)于表面較光滑的物體，我們還會(huì)看到光源在其上形成的高光區(qū)；物體表面有其特有的紋理。 (3) 能表現(xiàn)物體的質(zhì)感。物體的質(zhì)感是由于其材料的屬性決定的，不同的材料反映不同的質(zhì)感。不同質(zhì)感的物體對(duì)光的作用也不同，主要表現(xiàn)為對(duì)不同波長(zhǎng)的光 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 會(huì)有不同的吸收率、反射 率、折射率，所以觀察光照下的物體可以看出物體的質(zhì)感。 (4) 能反映 鏡像 效果。 鏡像 效果是指在特別光滑的表面上可以看見其他物體的圖像。 鏡像 效果能加深對(duì)物體之間相互關(guān)系的理解。 (5) 能反映透明效果。如果所顯示的物體是一個(gè)透明或半透明的，那么透過(guò)這個(gè)物體，我們能夠看到物體后面的其他物體或背景。 此外， 決定三維圖形外觀的因素有如下一些： (1) 物體的幾何形狀 。 (2) 物體的表面特性 。 這主要是指物體表面的粗糙度、紋理、物體的顏色、吸光率、反光性和透光性。 (3) 光源的特性 。 一個(gè)物體的外觀除了決定于物體本身的 幾何形狀和表面特性，還與外在因素有關(guān)。一個(gè)關(guān)鍵的外部因素就是照亮這個(gè)物體的光源。光源特性主要是指光源的光強(qiáng)分布、光源的光譜 (決定了光的顏色 )和光源的形狀 (如點(diǎn)、線、面光源 )三個(gè)方面。 (4) 物體與光源的相對(duì)位置 。 (5) 觀察方式 。 它通常指視點(diǎn)位置和視屏位置的設(shè)定。 (6) 物體周圍的環(huán)境 。 通過(guò)對(duì)光的反射和折射，形成環(huán)境光，在物體的表面上產(chǎn)生一定的照度。 綜上所述， 生成一個(gè)具有真實(shí)感的圖形，需要經(jīng)過(guò)建立模型、計(jì)算視屏各像素顏色和顯示計(jì)算結(jié)果三個(gè)大的步驟。 (1) 其中建立模型主要就是對(duì)我們上面談到物體外觀 因素進(jìn)行設(shè)置，包括建立物體的幾何模型、設(shè)定光源的位置形狀及光學(xué)特性和設(shè)定視點(diǎn)和屏幕的位置幾小步 ； (2) 在計(jì)算屏幕上各像素的顏色中有幾項(xiàng)是必須進(jìn)行的基本工作。這些工作包括：不可見面的消除，不可見面有兩種，一種是被其他面遮擋的面，從視點(diǎn)看不到，一種是背向視點(diǎn)的面，用消隱算法可去掉物體上不可見面；陰影計(jì)算，就是確定物體上那些面受光源的光照，那些面處在其他 物體的陰影中；光照顏色計(jì)算 ； (3) 顯示計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算出的結(jié)果在屏幕上顯示出來(lái)，形成具有真實(shí)感的圖形。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 OpenGL 目 前， OpenGL在國(guó)內(nèi)外 都掀起了熱潮，但國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域介紹的資料并不是很多。 OpenGL（即開放性圖形庫(kù)， Open Graphics Library）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它源于美國(guó) SGI公司圖形工作站開發(fā)的 IRIS GL，在跨平臺(tái)移植過(guò)程中發(fā)展成為 OpenGL。 SGI在 1992年 7月發(fā)布 ，后來(lái)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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），具有廣泛的可移植性，它獨(dú)立于硬件系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)。 OpenGL適用于廣泛的計(jì)算機(jī)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)，用戶 可利用它創(chuàng)建漂亮的三維圖形。由于許多在計(jì)算機(jī) 領(lǐng)域 具有領(lǐng)導(dǎo)級(jí)別的公司紛紛采用它作為三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面，因此，OpenGL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。 由于 OpenGL能實(shí)現(xiàn)高性能的三維圖形功能（實(shí)現(xiàn)三維空間、繪制三維物體等），這使得科學(xué)計(jì)算可視化，仿真可視化技術(shù)發(fā)展迅速?？梢暬到y(tǒng)不僅可以幫助技術(shù)人員形象直觀地查看仿真結(jié)果，而且在一定程度上可以提高設(shè)計(jì)水平，減少錯(cuò)誤的發(fā)生。因此計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在各行業(yè)，各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。有人說(shuō)20世紀(jì)是計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)發(fā)展的世紀(jì)， 21世紀(jì) 將是虛擬現(xiàn)實(shí)飛速發(fā)展的世紀(jì)，因此，積極推動(dòng)計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域的發(fā)展將對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，科學(xué)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 OpenGL 的基本功能與操作 OpenGL是 一套圖形標(biāo)準(zhǔn)，它嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理設(shè)計(jì)而成，符合光學(xué)和視覺理論，非常適合可視化仿真系統(tǒng)。 首先，在 OpenGL中允許視景對(duì)象用圖形方式表達(dá)，如 ： 有物體表面頂點(diǎn)坐標(biāo)集合構(gòu)成的集合模型。這類圖形數(shù)據(jù)含有豐富的幾何信息，得到的仿真圖像能充分表達(dá)出其形體特征；而且在 OpenGL中有針對(duì)三維坐標(biāo)表示的頂點(diǎn)的幾何變換，通過(guò)該變換可使頂點(diǎn)在三 維空間內(nèi)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，對(duì)于有頂點(diǎn)的集合表達(dá)的物體則可以實(shí)現(xiàn)其在空間的各種運(yùn)動(dòng)。 其次， OpenGL通過(guò)光照處理能表達(dá)出物體的三維特性，其光照模型是整體光照 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 模型，它把頂點(diǎn)到光源的距離、頂點(diǎn)到光源的方向向量以及定點(diǎn)到視點(diǎn)的方向向量等參數(shù)代入該模型，計(jì)算頂點(diǎn)的顏色。因此，可視化仿真圖像的顏色體現(xiàn)著物體與視點(diǎn)以及光源之間的空間位置關(guān)系，具有很強(qiáng)的三維效果。 另外，為彌補(bǔ)圖形方法難于生成復(fù)雜自然背景的不足， OpenGL提供了對(duì)圖像數(shù)據(jù)的使用方法，即直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)讀、寫和拷貝，或者把圖像數(shù)據(jù)定義為紋理與圖形方法結(jié)合在 一起生成視景圖像以增強(qiáng)效果。為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三維圖形的運(yùn)算能力，有關(guān)廠家已研制出了專門對(duì) OpenGL進(jìn)行加速的三維圖形加速卡，其效果可與圖形工作站相媲美。 OpenGL實(shí)質(zhì)上是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，能十分方便地在各平臺(tái)之間移植，它不但具有開放性、獨(dú)立性和兼容性三大特點(diǎn)，還提供了以下基本操作和功能 : (1)建模功能 OpenGL圖形庫(kù)除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)之外，還提供了比較復(fù)雜的三維物體 (如球、錐體，多面體、茶壺等 )以及復(fù)雜曲線和曲面 (如 Bezier, NURBS等曲線或曲面 )繪制函數(shù)。 (2)變換功能 可以說(shuō)，無(wú)論多復(fù)雜的圖形都是由基本圖元組成并經(jīng)過(guò)一系列變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。OpenGL圖形庫(kù)的模型變換有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種變換，投影變換有透視投影和正交投影兩種變換。 (3)顏色模式設(shè)置 OpenGL 應(yīng)用了一些專門的函數(shù)來(lái)指定三維模型的顏色。程序開發(fā)者可以選擇二個(gè)顏色模式，即 RGBA 模式和顏色索引模式 (Color Index)。 (4)光照和材質(zhì)設(shè)置 正如自然界不可缺少光一樣，繪制有真實(shí)感的三維物體必須 使用 光照處理。OpenGL光源屬性有輻射光、環(huán)境光、漫反射光和鏡 面光等。材質(zhì)是用光反射率來(lái)表示。場(chǎng)景 (Scene)中物體最終反映到人眼的顏色是光的 RGB分量與材質(zhì)的 RGB分量反射率相乘后形成的顏色。 (5)反走樣 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 在 OpenGL繪制圖形過(guò)程中，由于使用的是位圖，所以繪制出的圖像的邊緣會(huì)出現(xiàn)鋸齒形狀，稱為走樣。為了消除這種缺陷， OpenGL提供了點(diǎn)、線、多邊形的反走樣技術(shù)。 (6)融合 為了使三維圖形更加具有真實(shí)感，經(jīng)常需要處理半透明或透明的物體圖像，這就需要用到融合技術(shù)。 (7)霧化 正如自然界中存在煙霧一樣， OpenGL提供了“ fog”的基本操作來(lái)達(dá)到對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行霧化的 效果。 (8)位圖顯示和圖像增強(qiáng) 在圖形繪制過(guò)程中，位圖和圖像是非常重要的一個(gè)方面。 OpenGL提供了一系列函數(shù)來(lái)顯示位圖和圖像的操作。 (9)紋理映射 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，把包含顏色、 alpha 值、亮度等數(shù)據(jù)的矩 陣 數(shù)組稱為紋理。三維景物因缺少景物的具體細(xì)節(jié)而顯得不夠真實(shí) ， 為了更加逼真地表現(xiàn)三維景物，OpenGL 提供了紋理映射的功能。 OpenGL 提供的一系列紋理映射函數(shù)使得開發(fā)者可以十分方便地把真實(shí) 圖像 貼到景物的多邊形上，從而可以在視窗內(nèi)繪制逼真的三維景觀。 (10)雙緩存 出色的動(dòng)畫效果是 OpenGL的一大 特色， OpenGL提供了雙緩存區(qū)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫繪制。雙緩存即前臺(tái)緩存和后臺(tái) 緩存，后臺(tái)緩存計(jì)算場(chǎng)景、生成動(dòng)畫，前臺(tái)緩存顯示后臺(tái)緩存一畫好的畫面。 OpenGL 的體系結(jié)構(gòu) 由于 OpenGL是一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的三維圖形接口，操作系統(tǒng)必須提供像素格式管理和渲染環(huán)境管理。 OpenGL在 Windows上的實(shí)現(xiàn)是基于 Client/Server模式的，應(yīng)用程序發(fā)出 OpenGL命令，由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) OpenGL32. dll接受和打包后發(fā)送到服務(wù)器端的 ,然后由它通過(guò)的 DDI層發(fā)往視頻顯示驅(qū)動(dòng)程序。 OpenGL的體系結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 圖如圖 21所示 [4]。 圖 21 OpenGL 在 Windows 平臺(tái)上的體系結(jié)構(gòu) OpenGL 繪制幾何圖元 在實(shí)際應(yīng)用中，通常用一組相關(guān)的頂點(diǎn)序列以一定的方式組織起來(lái)定義某個(gè)幾何圖元，而不采用單獨(dú)定義多個(gè)頂點(diǎn)來(lái)構(gòu)造幾何圖元。 在 OpenGL 中，所有被定義的頂點(diǎn)必 須放在 glBegin()和 glEnd()兩個(gè)函數(shù)之間才能正確表達(dá)一個(gè)幾何圖元或物體，否則， glVertex*()不完成任何操作 [5]。 函數(shù) glBegin(GLenum mode)標(biāo)志描述一個(gè)幾何圖元的頂點(diǎn)列表的開始，其參數(shù)mode 表示幾何圖元的描述類型。函數(shù) glEnd()標(biāo)志頂點(diǎn)列表的結(jié)束。在 glBegin()和glEnd()之間最重要的信息就是由函數(shù) glVertex*()定 義的頂點(diǎn)，必要時(shí) 也可 以調(diào)用相關(guān)的函數(shù) 為每個(gè)頂點(diǎn)指定顏色、法向、紋理坐標(biāo)或其他。 應(yīng) 用 程 序 可安裝的客戶端驅(qū)動(dòng)程序 Client Server 視頻顯示驅(qū)動(dòng)程序 硬件相關(guān) DDI 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 在 OpenGL 中使用顏色 在 OpenGL中通常使用 兩 種顏色模式，即 RGBA模式和顏色索引模式。使用RGBA模式還是使用顏色索引模式要根據(jù)所用的硬件和應(yīng)用的需求來(lái)定。另外，對(duì)于明暗處理、光照、紋理映射和霧 化等特殊效果，使用 RGBA模式較使用顏色索引模式更靈活。因此，本文將采用 RGBA顏色模式。 如果一個(gè)具有復(fù)雜光滑表面的物體是用一系列的多邊形逼近的，而且這些多邊形都是單一著色的多邊形，那么這個(gè)物體看上去像是由一片一片東西拼接起來(lái)的，顯得非常不自然。改善浮躁物體表面的外觀，方法之一是用更多更小的三角形來(lái)做逼近，另一種更為簡(jiǎn)單的方法是使用多邊形的填充顏色產(chǎn)生層次或連續(xù)變化，這種技術(shù)稱為光滑著色 。在 OpenGL中，光滑著色時(shí)它的默認(rèn)處理方法。設(shè)置著色模式函數(shù)是 glShadeModel()，該函數(shù)的原型如下： ◆ void glShadeModel(Glenum mode) mode指定一種著色模式。它可取的值為 GL_SMOOTH和 GL_FLAT。使用GL_SMOOTH時(shí)表示光滑著色，使用 GL_FLAT時(shí) 表示單一著色。 在 OpenGL 中使用光照 光照對(duì) 于模擬三維真實(shí)感圖形時(shí)非常重要的。事實(shí)上，如果沒(méi)有光照，所制作的三維圖形就沒(méi)有立體感，和二維圖形基本沒(méi)有區(qū)別。 OpenGL中的光照是真實(shí)光照的一種逼近，它是一個(gè)高效的方法，在 OpenGL中可以處理多個(gè)光源，也可以單獨(dú)使用某個(gè)光源。 OpenGL所執(zhí)行的計(jì)算 的目的就是計(jì)算在顏色緩存中每個(gè)象素的最終顏色，如果所構(gòu)建的三維場(chǎng)景中有光照，則計(jì)算是和場(chǎng)景中的光照有關(guān)的。 在現(xiàn)實(shí)世界中，當(dāng)光照在非透明物體上時(shí)，部分光線被物體吸收，剩余的部分光線被反射。人眼依靠這種反射光來(lái)感知物體的形狀、顏色和其他細(xì)節(jié)。從光源投向物體的光稱為入射光，從物體表面反射回來(lái)的光稱為反射光。在 OpenGL的簡(jiǎn)化光照模型中，將光照分為 4個(gè)獨(dú)立的組成部分：輻射光 (Emitted Light)、環(huán)境光 (Ambient Light)、漫反射光 (Diffuse Light)和鏡面反射光 (Specular Light)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 在 OpenGL 中使用材質(zhì) 材質(zhì)就是通常所說(shuō)的物體表面的質(zhì)感。通過(guò)定義三維物體表面的材質(zhì)可以使物體看上去更為真實(shí)。 在 OpenGL中，它是通過(guò)定義材料對(duì)紅、綠、藍(lán)三色光的反射率來(lái)近似定義材料的顏色。 材料顏色也分為環(huán)境，漫反射和鏡面反射成分，它們決定了材料對(duì)于環(huán)境光，漫反射光和鏡面反射光的反射率 。 在 OpenGL 中使用紋理映射 紋理映射的用途非常廣泛，因此紋理映射是一個(gè)涉及面非常廣且非常復(fù)雜的主題，使用紋理映射時(shí)，必須 做出 多種編程決策。我在初學(xué)的時(shí)候還覺得紋理是二維的，但 實(shí)際上紋理可以是一維的，甚至可以是三維的。可以將紋理映射到由一組多邊形構(gòu)成的平面或曲面上，并沿一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)方向（取決于紋理的維數(shù)）重復(fù)使用紋理以覆蓋表面。另外，還可以自動(dòng)將紋 理映射到物體上，從而用紋理來(lái)表示物體的等高線或其他屬性?？梢詫?duì) 光照物體進(jìn)行紋理映射，使其位于房間或其他環(huán)境中央時(shí)，表面 反射的是周圍的景色。最后，還可以以其他方式將紋理應(yīng)用于物體表面： 可以直接將它畫到物體表面上（類似于貼花），用于調(diào)整物體表面的顏色，或者將紋理的顏色和物體表面的顏色進(jìn)行混合。例如，使用一大片植被的圖像映射到一些連續(xù)的多 邊形上，以模擬地貌，或者以大理石、木紋等自然物質(zhì)的圖像作為紋理映射到相應(yīng)的多邊形上，作為物體的真實(shí)表面。 紋理是一個(gè)數(shù)組，其中的數(shù)據(jù)為顏色、輝度或者顏色和 alpha值。紋理數(shù)組中的值通常被稱為 紋素 。矩形紋理可能被映射到非矩形區(qū)域，所以必須以合理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種映射，這使得紋理映射非常復(fù)雜。 在 OpenGL中提供了一 系 列完整的紋理操作函數(shù)，用戶可以用它們構(gòu)造理想的物