基于OpenGL的焊接場景特效的實現

余順園

摘要：本文基于OpenGL的實現了虛擬焊接場景中的四種特效。在OpenGL使用三個光源，實現了虛擬焊接中的光照效果，能夠逼真的模擬焊接電弧位置變化及場景；在程序中通過函數glMaterial定義光照，計算虛擬焊接中用到的當前材質，實現了不同的材質效果；基于OpenGL同時還實現了雙緩存動畫效果及場景漫游效果。結果表明，這些場景特效比較逼真，效果良好。

關鍵詞：OpenGL虛擬焊接場景特效

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0017-02

在焊接模擬場景中增加特殊效果目的是提高模擬場景的真實感覺。真實感圖形繪制是計算機圖形學的一個重要組成部分，它能反映物體表面顏色和亮度的細微變化；能表現物體表面的質感；能通過光照下的物體陰影，極大地改善場景的深度感和層次感，充分體現物體間的相互遮擋關系；能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡面效果。

1 OpenGL簡介

OpenGL是個專業的3D程序接口，是個針對底層開發的3D圖形[1]。OpenGL稱為開放的圖形程序接口，它獨立于窗口系統和操作系統，可以在不同的平臺如Windows95、WindowsNT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之間進行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應用[2]。因為OpenGL在三維模擬方面的強大功能，使得它在許多研究領域中得到了廣泛應用，在焊接仿真相關領域，涉及到模擬和三維顯示的地方，也越來越多的采用了OpenGL技術。

利用OpenGL可以方便地生成高質量的真實感圖形，OpenGL提供了各種光源及材質屬性的設置函數，可以方便的設置所需光照模型。OpenGL提供的圖像空間消隱能力，可方便的實現消隱算法。OpenGL提供的紋理映射功能，可以將BMP文件格式的圖像映射到幾何模型表面，紋理映射中的值除了可以直接用于繪制面著色，還可以利用紋理映射中的值來調制和混合原像素的顏色，從而產生特殊的效果。

2焊接場景特效實現

為提高虛擬焊接場景的真實感，利用OpenGL實現了焊接場景中光照效果、材質效果、雙緩存動畫效果、場景漫游效果等特效。

2.1 光照效果

虛擬焊接三維場景中，環境光照效果必不可少的。在OpenGL中，通過光源模型設置來實現場景的光照效果。在光源模型中，一共使用了三個光源，分布如圖1所示。OpenGL程序本身只有一個默認的處在無窮遠處的點光源0，默認的光源特性參數值都是1，即理想的白色點光源。

在OpenGL中，光線被假定成紅、綠、藍3種原色光的組合，因此，光源的顏色就由它所發出的這3種原色光的含量決定，而物體表面的顏色則由其反射這3種光的含量決定。光源0除了定義光源的位置外，還分別定義了環境光、漫射光、鏡面光，OpenGL獨立計算這四種成分光線，然后再將其結果疊加到一起產生光源0的最終光照效果。在模擬場景中，光源0用于整個場景的照亮效果。

針對虛擬焊接場景的要求，增加了兩個光照模型，即跟隨焊接電弧位置變化的光源1和垂直焊接工作臺的光源2。光源1為移動的聚光燈，其亮度隨著亮度參數改變而不斷的變化，模擬電弧燃燒亮度的閃爍。光源1的移動通過在堆棧中使用平移函數來實現。

光源2和光源1類似，只不過光源2是普通的點光源，作用于整個焊接環境，使焊接環境光照效果更接近真實。控制光源0、光源1與光源2作用的時間，就可以實現虛擬焊接場景在焊工模式與旁觀模式中簡單的切換。在焊工模式下訓練時，光源1和2打開，光源0被屏蔽，焊工通過頭盔顯示器觀察到的場景只有電弧照亮的熔池和焊條端部，其余的場景由于沒有光照呈暗色；旁觀模式光源0必須打開，光源1和2可以打開也可以關閉。在旁觀模式下，因為環境光的光源打開，指導教師或其他學員可以觀察到全景效果。通過兩種模式的轉換，可根據需要選取環境光照效果，觀察焊接過程。另外，光源0的打開與否還取決于訓練時的電弧燃燒狀態，只有當電弧處于燃燒狀態時，即焊接正在進行，光源0才能關閉；電弧未處于燃燒狀態時，焊接停止，光源0打開，照亮整個場景。這與真實焊接過程中焊工在焊接時戴上面罩操作，停止焊接時拿掉面罩觀察焊縫成型效果的過程是一致的。

2.2 材質效果

材質是指物體表面對光的反射特性。OpenGL用材料對光的紅、綠、藍三原色的反射率來近似定義材料的顏色。像光源一樣，材料顏色也分成環境、漫反射和鏡面反射成分，它們決定了材料對環境光、漫反射光和鏡面反射光的反射程度。在進行光照計算時，材料對環境光的反射率與每個進入光源的環境光結合，對漫反射光的反射率與每個進入光源的漫反射光結合，對鏡面光的反射率與每個進入光源的鏡面反射光結合。對環境光與漫反射光的反射程度決定了材料的顏色，并且它們很相似。對鏡面反射光的反射率通常是白色或灰色（即對鏡面反射光中紅、綠、藍的反射率相同）。鏡面反射高光最亮的地方將變成具有光源鏡面光強度的顏色。例如一個光亮的紅色塑料球，球的大部分表現為紅色，光亮的高光將是白色的。

一個光源決定了光的顏色、反射特性、強度和入射光的方向。物體的幾何性質及材質決定反射光的顏色、反射特性、強度。光和物體間的相互作用遠比我們能夠實時模擬的情況復雜。OpenGL在逼真顯示和實時繪制之間通過以下方法實現均衡：只在幾何頂點進行光照計算，對在所繪制的每個像素上執行光照運算的復雜處理進行簡化。

材質的顏色與光源的顏色略有不同。對于材質，R、G、B值為材質對光的R、G、B成分的反射率。比如，一種材質的R=1.0、G=0.5、B=0.0，則材質反射全部的紅色成分，一半的綠色成分，不反射藍色成分。也就是說，若OpenGL的光源顏色為（LR、LG、LB），材質顏色為（MR、MG、MB），那么，在忽略所有其他反射效果的情況下，最終到達眼睛的光的顏色為（LR×MR、LG×MG、LB×MB）。

同樣，虛擬焊接場景中的兩束光，相應的值分別為（R1、G1、B1）和（R2、G2、B2），則OpenGL將各個顏色成分相加，得到（R1+R2、G1+G2、B1+B2），若任一種成分的和大于1（超出了設備所能顯示的亮度）則約簡到1.0。這樣最終的光照效果是光線與物體表面共同作用的結果，入射光和物體對光的吸收和反射決定了所看到的顏色。

虛擬焊接場景所包括的各種物體模型，在程序中都使用了不同的材質，這樣整個場景看起來層次感更加明顯。在程序中通過函數glMaterial（GLenum face，GLenum pname，TYPE param）來定義光照計算中用到的當前材質。face可以是GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK，它表明當前材質應該應用到物體的哪一個面上；pname說明一個特定的材質；param是材質的具體數值。

2.3 雙緩存動畫效果

動畫是計算機圖形學的一個重要組成部分。要實現連續的動畫，不出現人眼能覺察到的閃爍跳動，一般要達到24幀/s的刷新速度。程序設計中，采用了精簡程序、強制刷新函數和雙緩存技術三項技術來保證場景的刷新速度。

本程序測試中，運行時間小于0.04s，即畫面刷新速度大于25幀/秒，滿足連續動畫的要求。強制刷新函數可以保證程序在設定時間周期對畫面進行自動刷新，程序運行中設為20ms。OpenGL提供了雙緩存技術支持動畫制作。也就是說，在顯示前臺緩存內容中的一幀畫面時，后臺緩存正在繪制下一幀畫面，當繪制完畢，則后臺緩存內容便在屏幕上顯示出來，而前臺正好相反，又在繪制下一幀畫面內容。這樣循環反復，屏幕上顯示的總是已經畫好的圖形，于是看起來所有的畫面都是連續的。在焊接場景中，采用了雙緩存技術，并在display（）函數的結尾處，使用了前后臺交換函數：void glutSwapBuffers（void）。即執行完一次display（）焊接場景繪制過程，便交換前后臺緩存，以便讓下一幀圖形在屏幕后繪制完成。

2.4 場景漫游效果

虛擬漫游技術是計算機仿真中重要的交互手段之一。它可以使得生成的虛擬場景更為生動。本文實現了對虛擬焊接三維場景的漫游，用戶可以從不同角度、不同距離觀察虛擬焊接場景。

在焊接場景中，通過改變場景模型的位置來實現漫游，即觀察者的視點不動，通過模型的平移和旋轉來改變觀察場景模型的視角。在程序編制時，通過鍵盤的按鍵實現對漫游的控制，首先在視圖的創建函數中設置視點的初始值，然后規定w鍵按下時遠離場景；s鍵按下時靠近場景；z、x鍵按下時圍繞x軸旋轉；a、d鍵按下時圍繞y軸旋轉。實現焊接虛擬場景漫游后，還設置了一個默認位置恢復鍵，不管漫游到什么位置，按下Esc鍵后，都回到默認的焊工觀察操作位置，進行焊接培訓操作。

3 結語

本文利用OpenGL實現了焊接場景中光照效果、材質效果、雙緩存動畫效果、場景漫游效果等特效，大大提高了虛擬焊接場景中的真實感，在焊工的培訓、焊接智能化方面有較好的應用。

參考文獻

[1] LaLonde Wilf，Pugh John.Preparing for 3D graphics： interfacing to OpenGL.Journal of Object-Oriented Programming[J].1995，8（2）：77.

[2] Faust Nickolas L，Bhaumik Dharmajyoti，Hodges Larry F.，Ribarsky William，Koller David， Lindstrom Peter.OpenGL VGIS.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering[C].1996，2740：42-49.