基于OpenGL子函數(shù)構建三維實體圖形庫.pdf

1、在以計算機相關技術為代表的現(xiàn)代信息技術的發(fā)展中，計算機圖形處理技術已經(jīng)成為非常具有實際經(jīng)濟價值的技術之一，圖形學在各個行業(yè)領域的應用也得到了迅速的普及。計算機圖形學進入三維立體時代后，更是進入了嶄新的發(fā)展紀元。電影電視制作、游戲軟件開發(fā)、計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM），無一不是三維圖形充分發(fā)揮的領域。
　　 這些讓人們能夠親手創(chuàng)建和親身體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)被稱作虛擬現(xiàn)實（簡稱VR）系統(tǒng)。VR系統(tǒng)又被稱為虛

2、擬環(huán)境系統(tǒng)，是由計算機生成的一個實時、虛擬的三維空間。用戶可以在其中“自由地”的活動，隨意觀察周圍的物體，并可通過某些特殊的設備和虛擬物體進行互動操作。VR技術在各領域中都有著較大的應用潛力和推廣前景，如在醫(yī)療領域，VR可用于虛擬解剖的教學、手術的模擬、康復訓練等；在娛樂領域，可用于電子游戲和影視制作，某些三維游戲是VR技術的最好體現(xiàn)，有些游戲中的場景的視覺效果甚至達到亂真的程度；在藝術文化方面有虛擬演員、虛擬博物館等，在教育方面有虛擬

3、物理實驗室和虛擬課堂等；在自控和制造業(yè)，VR技術輔助設計、虛擬裝配及制造等；在商業(yè)領域，VR可用于產(chǎn)品廣告宣傳，VR廣告相比傳統(tǒng)廣告更易于制作和更改，也更有表現(xiàn)力和感染力。如裝潢設計、建筑的虛擬展示（對于期房更加必要）等；在軍事和航空航天領域，有虛擬飛行、虛擬戰(zhàn)場等，美國的坦克訓練網(wǎng)絡SIMNET,NASA的VR訓練系統(tǒng)都是非常成功的應用。
　　 VR系統(tǒng)中關鍵的部分是用于模擬真實物體的三維圖形的繪制，目前世界各地的科研工作者在

4、這方面做了很多的工作，基于圖形的地形建模技術中，主要有三個不同方法:一種是使用DEM數(shù)據(jù)構造多邊形面；另外一種方法是基于數(shù)據(jù)擬合的地形生成，用曲面（如二次曲面，Bezier曲面或其它一些曲面）進行擬合；最后一種是基于分形技術的地形生成。云的模擬方法有基于云的物理生成過程的方法，基于分形的方法，基于隨機過程的方法等。海浪的模擬主要有以下幾種方法：基于計算流體力學方法、基于海浪譜的方法、基于幾何造型方法、基于分形的方法等?；鹧娴哪M主要有三

5、種，包括基于紋理的方法，基于粒子系統(tǒng)的方法和基于細胞自動機的方法。
　　 傳統(tǒng)的三維圖形繪制方法主要使用歐氏幾何生成規(guī)則圖形和平滑曲線，對復雜的自然物體的模擬顯得力不從心。20世紀70年代B.Mandelbrot建立了分形圖形學，用來描述那些不規(guī)則的歐氏幾何無法模擬的幾何圖形，被稱為“大自然本身的幾何學”，使自然物體的模擬成為可能，這也是分形幾何得到廣泛應用的理由之一。
　　 三維圖形庫技術是改善三維圖形應用的通用性、靈

6、活性和開放性的有效途徑。使用者在需要時，將所需的三維實體從圖形庫中取出來，在指定的位置繪制，即可以解除繁瑣的重復繪制工作，也可以保證三維實體的繪制質(zhì)量，提高開發(fā)效率。
　　 圖形庫的建立始于上世紀70年代，主要有兩種形式：定制固定的圖符；對圖形分類，每一類圖形對應一種算法。第一種辦法容易實現(xiàn)，利于新圖形的加入，但冗余大。對于形狀相似的一類圖形，需要在庫中存儲每一個圖形的形態(tài)，這樣的圖形，在實際的應用中中大量存在。第二種方法對于同

7、類中的圖形只需要存儲一個子程序，彌補了第一種方法的不足，消除了冗余，且建立了圖形庫的參數(shù)化。
　　 目前，圖形庫已受到社會各個方面的關注，在機械制造、水利水電及地理系統(tǒng)都有所使用，很多繪圖工具也提供了圖形庫應用功能。目前Autodesk公司開發(fā)的軟件AutoCAD是在計算機上使用最為廣泛的一個交互式繪圖系統(tǒng)，AutoCAD也集成了圖形庫的應用功能，主要用來生成一些標準圖形和常用圖形，用戶可以直接使用庫中的圖形，降低用戶的重復工作

8、，提升設計效率，節(jié)約大量的繪圖時間。類似AutoCAD的三維繪圖工具如：3DMAX、Maya等都已經(jīng)很成熟，并且得到廣泛的使用。但是，這些軟件大都是以傳統(tǒng)的微機繪圖方法為基礎用歐式幾何的方法來繪制圖形，繪制的都是一些線條光滑，形狀規(guī)則的幾何圖形。
　　 分形理論是描繪具有不規(guī)則結構的復雜體系結構形狀的一門新興科學，在過去的30多年中，分形幾何已廣泛地應用于眾多學科的研究領域，并使得許多研究取得突破性成果。分形理論最重要、最直接的

9、使用領域是計算機圖形學，分形理論研究和進展極大地豐富了計算機圖形學的內(nèi)涵，在計算機圖形學中對自然景物的真實模擬和建模起著關鍵作用，已經(jīng)形成了很多繪制分形圖形的經(jīng)典方法，如：迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）、L系統(tǒng)、中點位移法，Diamond-Square算法、粒子系統(tǒng)等，用這些算法生成的自然景物在逼真性方面有著傳統(tǒng)歐式幾何不能相比的優(yōu)點。
　　 現(xiàn)實世界尤其是自然環(huán)境中的很多物體都是以某種

10、不規(guī)律的隨機狀態(tài)表現(xiàn)出來的，樹、山、云、地形、海浪等都有著復雜的結構和形態(tài)，而目前的三維實體庫中還缺少這些關鍵要素，用普通的圖形生成軟件或者編程繪制都有很大的困難。所以開發(fā)運用分形圖形學構建的，包含各種自然界圖形實體的圖形庫具有現(xiàn)實的意義。
　　 圖形庫中的圖形文件有多種存儲方式，目前主要的有兩種：圖形文件格式和數(shù)據(jù)庫存儲方式。圖形文件是將三維圖形的頂點坐標等信息存儲在數(shù)據(jù)文件。在需要的時候，從圖形文件中讀取圖形數(shù)據(jù)繪制三維圖形

11、。比較流行的圖形文件有3DMAX的3DS文件，VRML（Virtual Reality Modeling Language）的WRL文件等。如果用圖形文件存儲三維分形圖形，優(yōu)點是繪圖時不必再進行復雜的計算，因為圖形文件存儲的是經(jīng)過計算后的分形圖形的頂點坐標，可以有效提高分形圖形的繪制速度。但是分形幾何圖形與歐氏幾何圖形相比有著不同的特點：歐氏幾何的圖元是有限的，所以用歐氏幾何模擬的規(guī)則三維物體也是有限的；而分形幾何繪制的圖形如用它來描繪

12、的自然景物一樣具有無窮的形態(tài)和細節(jié)，具有隨機性和自相似性。所以用圖形文件存儲分形圖形，會導致圖形文件的數(shù)量巨大，圖形文件的存儲和檢索都會造成困難。數(shù)據(jù)庫是指以一定的組織方式存儲在一起的、能為多個用戶所共享的、與應用程序彼此獨立的相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)庫中各種不同類型的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系全部集中的按照一定的結構形式進行存儲。由于數(shù)據(jù)庫存儲具有的數(shù)據(jù)結構和存儲方式，使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比文件存儲管理方式在數(shù)據(jù)冗余度、完整性等方面具有顯著的優(yōu)點。圖

13、形數(shù)據(jù)庫在CAD/CAM領域有著廣泛的應用，如：AutoCAD。如果用數(shù)據(jù)庫存儲分形圖形，仍然會造成數(shù)據(jù)量龐大的問題。在CAD/CAM領域用戶對圖形的生成速度并不敏感，只要在可以接受的時間內(nèi)生成用戶期望的圖形即可。但使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的用戶要求的是實時性，三維虛擬場景的繪制速度必須達到每秒30幀以上，用戶才不會感覺到場景重繪的跳躍感，所以虛擬場景需要有毫秒級的繪制速度。如果使用數(shù)據(jù)庫存儲靜態(tài)的三維實體圖形，如靜態(tài)的分形樹，在虛擬場景第一次

14、繪制時讀入圖形信息即可，但如果是動態(tài)的三維實體圖形，如隨風搖曳的樹、粒子系統(tǒng)生成的火焰等，在每次虛擬場景重繪時，都需要從圖形數(shù)據(jù)庫中讀入實體圖形的信息，所以虛擬場景的繪制速度較大程度的依賴數(shù)據(jù)庫的性能，而使用高性能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會增加虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的成本，不利于分形實體圖形的實用化。因此目前流行的圖形文件和圖形數(shù)據(jù)庫等靜態(tài)數(shù)據(jù)結構都不適合存儲應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分形三維實體圖形。構造三維實體圖形庫的最終目的是使其商業(yè)化，可以作為產(chǎn)品銷售，所

15、以必須對實體的內(nèi)容進行保護，防止實體文件內(nèi)容泄露，因此直接提供給用戶分形三維實體圖形的生成程序也是不合適的。
　　 本文提出一種使用動態(tài)鏈接庫和OpenGL的顯示列表機制來構造三維實體圖形庫的方法，即實現(xiàn)了實體圖形生成算法的隱藏和圖形庫的模塊化，也保證了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的漫游速度。主要工作是運用分形圖形學和虛擬現(xiàn)實技術，創(chuàng)建虛擬環(huán)境中樹、地形、云、海浪、火焰、雪、噴泉等三維自然景觀實體，將每一種實體圖形封裝成一個由OpenGL子函數(shù)