【正文】 上應(yīng)用。 , 和 。 , 和 。 (1)函數(shù)的說(shuō)明文件。 OpenGL 開(kāi)發(fā)庫(kù)的基本組成 OpenGL 開(kāi)發(fā)組件 Windows 9x/NT 下的 OpenGL 組件有 2 種，一種是 SGI 公司提供的，一種是Microsoft 公司提供的。后者所形成的片斷將被存入幀緩沖區(qū)，就好象它們是由幾何數(shù)據(jù)生成的一樣。這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)描述一個(gè)用于紋理映射的圖像，它將跳過(guò)第一階段（如前面所述），而通過(guò)“像素操作”階段作為像素來(lái)處理。這些 操作包括根據(jù) 圖 OpenGL渲染流水線 幀緩沖區(qū)中原有的深度值（用于深度緩存操作）與輸入值而有條件地更新幀緩沖區(qū)的操作，還包括對(duì)輸入的像素顏色與已存儲(chǔ)的顏色所進(jìn)行的融合操作，對(duì)像素值所進(jìn)行的屏蔽操作及其他的邏輯操作。 “光柵化”生成了一系列的幀緩沖區(qū)地址以及相應(yīng)的用于描述點(diǎn)、線段或多邊形的二維值。所有這些圖元均由頂點(diǎn)來(lái)描述。 流程中的“評(píng)價(jià)器”階段通過(guò)將輸入值賦給多項(xiàng)式命令提供了一種非常有效的方法來(lái)生成幾何曲線和曲面的近似值。 OpenGL 顯示三維圖形流程圖如圖 所示。 (3) 色彩與光照：根據(jù)應(yīng)用要求確定色彩，同時(shí)確定光照條件。 OpenGL 生成三維圖形可以分成以下幾個(gè)步 驟： (1) 坐標(biāo)變換，生成基本圖元：根據(jù)基本圖形單元建立景物模型，并對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。在 OpenGL中每個(gè)物體都是 由 一組平面 構(gòu)成 ，這組平面記錄了該物體的表面 ，需要用戶(hù)提供圍繞平面邊緣的線段的頂點(diǎn)參數(shù)，平面內(nèi)圖案的位圖兩組信息，術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為 Vertex（頂點(diǎn)）， Texture（紋理）。 圖 OpenGL/NT體系結(jié)構(gòu) OpenGL 的渲染流水線 應(yīng) 用 程 序 可安裝的客戶(hù)端驅(qū)動(dòng)程序 相關(guān) DDI 視頻顯示驅(qū)動(dòng)程序 應(yīng)用軟件 OpenGL 窗口系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 圖形硬件 可以把 OpenGL 的 工作過(guò)程看成是一條生產(chǎn)流水線，原料是場(chǎng)景，物體的頂點(diǎn)，表面細(xì)節(jié)等信息，產(chǎn)品是看起來(lái)有三維感覺(jué)的平面位圖。如果系統(tǒng)安裝了硬件加速器，則由硬件相關(guān)的 DDI 來(lái)處理。因此 Windows NT下的 OpenGL 是網(wǎng)絡(luò)透明的 。大多數(shù)情況下，客戶(hù)和服務(wù)器在同一機(jī)器上運(yùn)行。 如 圖 所示。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(zhuān)門(mén)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。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。 首先，在 OpenGL 中允許視景對(duì)象用圖形方式表達(dá)，如由物體表面頂點(diǎn)坐標(biāo)集合構(gòu)成的幾何模型，這類(lèi)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)于由頂點(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)。利用這種透明性能夠均衡地共同承擔(dān)圖形應(yīng)用任務(wù)的各工作站的負(fù)荷，也能使得沒(méi)有圖形功能的服務(wù)器能夠使用圖形工具。良好的前瞻性、伸縮性和易使用性等也是 OpenGL 的突出編程特點(diǎn)。 (4) 出色的編程特性 OpenGL 體系結(jié)構(gòu)評(píng)審委員會(huì) (ARB)獨(dú)立負(fù)責(zé)管理 OpenGL 的規(guī)范，這使得 OpenGL 具有充分的獨(dú)立性。 (3) 高質(zhì)量和高性能 無(wú)論是在 CAD/CAM、三維動(dòng)畫(huà)還是可視化仿真等領(lǐng)域， OpenGL 高質(zhì)量和高效率的 圖形生成能力都能得到充分的體現(xiàn)。無(wú)論是在 PC 機(jī)上，還是在工作站甚至是大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)上， OpenGL 都能表現(xiàn)出它的高性能和強(qiáng)大威力。與一般的圖形開(kāi)發(fā)工具相比， OpenGL具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)： (1) 應(yīng)用廣泛 OpenGL 是目前最主要的二、三維交互式圖形應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，已成為業(yè)界最受推薦的圖形應(yīng)用編程接口。利用這些API 能夠方便地描述二維和 三維幾何物體，并控制這些物體按某種方式繪制到顯示緩沖區(qū)中。另外，在場(chǎng)景被光柵化后，但被繪制到屏幕之前，可以對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)執(zhí)行某些操作。 （ 4）將物體的數(shù)學(xué)描述和相關(guān)顏色信息轉(zhuǎn)換為屏幕像素，這被稱(chēng)為光柵化（ rasterization）。 （ 3）計(jì)算所有物體的顏色。 OpenGL 在屏幕上渲染圖像時(shí)執(zhí)行的主要圖形操作： （ 1）使用幾何圖元建立模型，即是說(shuō)所建立的模型由圖元構(gòu)成（使用若干個(gè)三角形來(lái)建立曲面），這里的幾何圖元包括：點(diǎn)，直線，多邊形，圖形和位圖。 OpenGL 實(shí)用庫(kù)（ GLU， OpenGL Utility Library）提供了很多建模（ modeling）特性，如二次 曲面， NURBS 曲線和曲面。在 OpenGL 中，只能使用幾種幾何圖元（ geometric primitive）（點(diǎn)，直線，多邊 形）來(lái)構(gòu)建所需的模型。因此，OpenGL 中沒(méi)有執(zhí)行窗口任務(wù)或獲取用戶(hù)輸入的函數(shù)，程序員必須通過(guò)窗口系統(tǒng)來(lái)控制硬件。 OpenGL 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾個(gè)步驟的處理從而將其轉(zhuǎn)換成像素，這些像素將在幀緩沖區(qū)中形成最終需要的圖形。 它的主要作用是將二維或三維的對(duì)象繪入一個(gè)幀緩沖區(qū) 中。 OpenGL 的英文全稱(chēng)是 “Open Graphics Library” ，顧名思義， OpenGL 便是 “ 開(kāi)放的圖形程序接口 ” 。 OpenGL 的前身是 SGI 公司為其圖形工作站開(kāi)發(fā)的 IRIS GL。假設(shè)該直線為 ON，它對(duì)三個(gè)坐標(biāo)軸方向的余弦已知。其變換矩陣為：c os s i n 0 0s i n c os 0 00 0 1 00 0 0 1T????????????。其變換矩陣為：c os 0 s i n 00 1 0 0s i n 0 c os 00 0 0 1T????????????。其變換矩陣為：1 0 0 00 c os s i n 00 s i n c os 00 0 0 1T ????????? ???。1 1 1x y z T x l y m z n x y z??? ? ? ? ? ?? 旋轉(zhuǎn)變換 旋轉(zhuǎn)變換 [5]，很明顯是指對(duì)于空間中的模型沿著某個(gè)軸或者某條直線旋轉(zhuǎn)。 39。 平移變換 平移變換是指在空間坐標(biāo)中 的模型從一個(gè)位置移動(dòng)到另外一個(gè)位置時(shí)，其形狀、大小均不發(fā)生改變的變換。 (2) 對(duì)稱(chēng)于 YOZ 坐標(biāo)面的對(duì)稱(chēng)變換，變換矩陣為：1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1T?????? ????；其變換過(guò)程為： ? ? ? ? ? ?1 1 1X Y Z x y z T x y z? ? ?。當(dāng) a=f=j時(shí)三個(gè)軸向的縮放比例相同；否則三個(gè)軸方向的縮放比例不相同。1 / / / 1 1x y z T X Y Z S X S Y S Z S x y z??? ? ? ?? 當(dāng) 01S??時(shí)，模型沿三個(gè)軸向等比例放大；當(dāng) 1S? 時(shí)，則模型沿著三個(gè)軸向等比例縮??；當(dāng) 0S? 時(shí)模型將產(chǎn)生對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)變換加比例變換。 39。對(duì)于模型的放大和縮小可以分為全局比例放大和軸向比例放大。 (4) 1 1 矩陣將產(chǎn)生整體的比例變換。 (2) 1 3 矩陣是 產(chǎn)生平移變換。1 / / / 1 1x y z T X Y Z H X H Y H Z H x y z??? ? ? ?? 對(duì)于空間中的三維體，例如線段、平面、立體，都可以將其 n 個(gè)頂點(diǎn)以點(diǎn)集的形式用齊次坐標(biāo)寫(xiě) 成 n 行四列矩陣 P，則三維圖形變換可以表示為 P’=PT。 39。習(xí)慣上用小寫(xiě)字母 [x y z 1]來(lái)表示變換前的空間點(diǎn)的位置矢量；用大寫(xiě)字母 [X Y Z H]來(lái)表示變換后的空間點(diǎn)的位置矢量。 一般來(lái)說(shuō)可以 采用齊次坐標(biāo)來(lái)表示 空間上的一個(gè)點(diǎn)，則有四個(gè)分量，即P(x,y,z,1)。a e hX Y Z X Y Z b f ic g j?????? ??????? 其中 矩陣 [X Y Z]稱(chēng)為幾何信息矩陣，或者稱(chēng)為位置矢量矩陣； 3 3 的矩陣a e hb f ic g j????????稱(chēng)為變換矩陣；而 [X’ Y’ Z’]稱(chēng)為變換后的位置矢量矩陣。 39。39。 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，對(duì)于三維空間的點(diǎn) P(X,Y,Z)，如果要將點(diǎn) P 變換到一個(gè)新的點(diǎn) P’，設(shè)其坐標(biāo)為 (X’,Y’,Z’)，則其解析表達(dá)式如下： 39。四是計(jì)算機(jī)場(chǎng)景中所有可見(jiàn)面的顏色，這就需要根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)算可見(jiàn)面投影到觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫(huà)面上每一象素的顏色，最終生成圖形。二是將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視，通過(guò)場(chǎng)景的透視變換來(lái) 完成。因此，所要解決的主要問(wèn)題有四個(gè) :一是如何用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述，并將它們輸入到計(jì)算機(jī)中，這部分工作由三維實(shí)體造型系統(tǒng)來(lái)完成。 所以該課題的應(yīng)用前景十分廣闊，不但鍛 煉了三維動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)能力，還提高了編程的總體思路，大大提高了編程水平。首先是民族精神的弱化。 但是三維動(dòng)畫(huà)在中國(guó)的宣傳力度不是很大，許多人還沒(méi)有概念。 三維場(chǎng)景 建立 概述 及其意義 隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于許多方面。 上面的里例子充分說(shuō)明了三維建模技術(shù)已經(jīng)深入到社會(huì)各個(gè)方面，對(duì)人們的生活已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。 在建筑和機(jī)械制造等領(lǐng)域，三維建模技術(shù)的作用更不用說(shuō)， CAD 技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了幾十年。使用 CT 或者M(jìn)RI(核磁共震 )技術(shù)可以得到人體各個(gè)部位的橫截面的圖 像，然后通過(guò)三維建模技術(shù)可以對(duì)這些圖像合并成各種人體組織的三維模型。圖 現(xiàn)實(shí)的是北京大學(xué)虛擬化實(shí)驗(yàn)室對(duì)洛陽(yáng)龍門(mén)石窟古陽(yáng)洞高樹(shù)龕中的破損佛像的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集然后再三維建模從而得到的完整的模型。這是目前電子商務(wù)領(lǐng)域比較熱門(mén)的一種服務(wù)，其中就涉及到三維建模以及模型的傳輸?shù)燃夹g(shù)。 三維建模技術(shù)也廣泛應(yīng)用電子商務(wù)領(lǐng)域。圖 展示了一個(gè)游戲人物模型，這種簡(jiǎn)單的人物模型最開(kāi)始就是由網(wǎng)格模型組成，再通過(guò)對(duì)模型貼圖和渲染而達(dá)到這種效果。三維游戲雖然和民生關(guān)系不大，但是確是一種具有強(qiáng)有力號(hào)召力的娛樂(lè)方式。將三維建模技術(shù)應(yīng)用到電影，可以讓電影導(dǎo)演能有更廣泛的想象空間來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí) 生活 中無(wú)法完成的場(chǎng)面，從而降低影片制作中的風(fēng)險(xiǎn)和為影片減少開(kāi)支。它在影視娛樂(lè)，建筑，機(jī)械制造，醫(yī)療，軍事，電子商務(wù)，虛擬現(xiàn)實(shí)，考古等很多方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 三維建模 的意義 20 世紀(jì)中后期， 隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù) 的 飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)描述現(xiàn)實(shí)世界的方式越來(lái)越豐富：從聲音到圖像再到視頻，計(jì)算機(jī)所能表示的世界越來(lái)越復(fù)雜。 OpenGL 提供強(qiáng)大的圖形處理功能，使 簡(jiǎn)單的三維 場(chǎng)景 制作 變得方便、靈活，效果更加逼真。而這個(gè)圖形學(xué)領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)誕生，又更加促進(jìn)了圖形學(xué)應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，其 中很重要的影響就是在 簡(jiǎn)單的物品擺放和材質(zhì)渲染 方面。 1 緒論 課題的來(lái)源 隨著計(jì)算機(jī)的普及，計(jì)算機(jī)圖形已不再是稀罕物，它是所有計(jì)算機(jī)用戶(hù)界面的一個(gè)組成部分，并且對(duì)于二維（ 2D）、三維（ 3D）和更高維對(duì)象的可視化是不可或缺的，諸如教育、科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、軍事、廣告和娛樂(lè)等各種各樣的領(lǐng)域都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)圖形。 OpenGL 作為 一項(xiàng)開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)、主攻專(zhuān)業(yè)圖形應(yīng)用和 3D游戲 開(kāi)發(fā)的 圖形 API， 即便 其發(fā)展 處于目前的低潮狀態(tài)， OpenGL仍然牢牢把持著專(zhuān)業(yè)繪圖 領(lǐng)域，而 DirectX 在此毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力，功能更強(qiáng)大的OpenGL 無(wú)疑將繼續(xù)保持壟斷性地位。三維互動(dòng)式場(chǎng)景建模更是計(jì)算機(jī)三維圖形應(yīng)用所必須解決的問(wèn)題。綜觀 SIGGRAPH 96的大會(huì)論文報(bào)告、專(zhuān)題討論會(huì)內(nèi)容及產(chǎn)品展覽會(huì) ,明顯感到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主攻方向不再是孤立地追求圖形的真實(shí)感和繪制的實(shí)時(shí)性 ,而是把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到如何把兩者結(jié)合在一起 ,即向更高的目標(biāo)邁進(jìn)。 綜 合上述兩大研究方向的追求目標(biāo)可以看出 ,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究水平的高低就是反映在 真實(shí)感 和 速度 的高低以及 兩者的結(jié)合上 ,也就是既要逼真地反映客觀世界的對(duì)象 ,又能高速地、通常又稱(chēng) 實(shí)時(shí) 地繪制它們。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的繪制技術(shù)是指基于光柵圖形顯示技術(shù)的真實(shí)感圖形 繪制技術(shù) ,包括各種光照模型、明暗 (shading)處理和紋理生成等內(nèi)容。計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)追求建模的精確度、可靠性和建模的速度 。在圖形基礎(chǔ)研究方面可歸納為兩個(gè)主要方向 ,即建模 (modeling)技術(shù) (又稱(chēng) 造型技術(shù) )和繪制 (rendering)技術(shù)。 越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)應(yīng)用都向著可視化的方向邁進(jìn)。 另一方面 ,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的硬件和軟件本身已發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè) ,1996 年總產(chǎn)值達(dá) 500 億美元 ,預(yù)計(jì)到2021 年將達(dá)到 1000 億美元。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個(gè)重要分支已經(jīng)經(jīng)歷了近 40 年的發(fā)展歷程。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全 了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位