三維場景虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 剛

(陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723000)

目前，基于Windows系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要采用2種技術(shù):DirectX和 OpenGL。OpenGL是一個三維的計(jì)算機(jī)圖形和模型庫，利用它可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)級的仿真。同時(shí)相對DirectX而言，OpenGL的建模過程更簡單、更靈活。在效果處理方面，OpenGL具有alpha處理能力，生成的圖形真實(shí)感強(qiáng)。本研究選用了OpenGL進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

1 系統(tǒng)的開發(fā)框架

OpenGL程序開發(fā)框架比較眾多，本研究選擇Win32 Application。選擇Win32而不使用MFC來開發(fā)應(yīng)用程序，是因?yàn)镸FC主要是用于基于窗口和文檔的應(yīng)用軟件的編程，它集成了大量的數(shù)據(jù)和方法，將許多煩瑣的任務(wù)如應(yīng)用程序初始化文檔處理和磁盤I/O封裝起來，雖然這樣給使用者的編程帶來了巨大方便，但在編制基于圖形顯示和多媒體的應(yīng)用程序時(shí)會給編程人員帶來極大的麻煩［1］。

Win32 Application程序的入口函數(shù)是WinMain，此函數(shù)的原形是 int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance，HINSTANCE hPrevInstance，LPSTR lpCmdLine，int nCmdShow)。此函數(shù)用來調(diào)用窗口創(chuàng)建例程、處理窗口消息，并監(jiān)視人機(jī)交互。系統(tǒng)中其他函數(shù)見表1。

表1 程序中的函數(shù)

2 建立三維場景

2.1 場景文件的創(chuàng)建

OpenGL中場景的創(chuàng)建一般有3種方法:第1種方法是在3DS MAX或其他三維建模軟件中繪制好場景，然后將之讀入到OpenGL程序中［2］;第2種方法是在OpenGL中建模，創(chuàng)建場景，這種方法比較繁瑣;第3種方法是讀入外部數(shù)據(jù)文件。本研究采用第3種方法讀入數(shù)據(jù)文件，這樣程序比較靈活，還可以根據(jù)需要加載不同的場景。數(shù)據(jù)文件采用文本格式，這樣效率較高。

系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個場景文件 house.txt，文件部分內(nèi)容見表2。其中場景文件中每行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為(x，y，z，u，v)，(x，y，z)代表該頂點(diǎn)的坐標(biāo)，(u，v)代表該頂點(diǎn)對應(yīng)的紋理坐標(biāo)。此文件定義的場景剖面圖如圖1所示。house.txt文件中數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系如圖1所示，其中y軸的正向垂直xoz平面向上。

圖1 場景示意圖

2.2 場景數(shù)據(jù)的組織

三維場景中的數(shù)據(jù)信息比較豐富，而且數(shù)據(jù)量隨著場景復(fù)雜程度的增加而增加，因此在系統(tǒng)中必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類以便于處理。系統(tǒng)中定義了一系列結(jié)構(gòu)體用來組織場景中的大量數(shù)據(jù)。主要思想是把三維世界看做許多區(qū)段(區(qū)段可以是1個物體或房子等等)的集合。1個區(qū)段中包含許多三角形，1個三角形是由3個頂點(diǎn)組成，每個頂點(diǎn)含有x、y、z坐標(biāo)分量和此點(diǎn)對應(yīng)的紋理坐標(biāo)u、v。這樣程序中就需要定義以下結(jié)構(gòu):

typedef struct tagVERTEX{float x，y，z;float u，v;}VERTEX;//定義頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)

typedef struct tagTRIANGLE{VERTEX vertex［3］;}TRIANGLE; //定義三角形結(jié)構(gòu)

typedef struct tagSECTOR{int numtriangles;TRIANGLE*triangle;}SECTOR;//定義區(qū)段結(jié)構(gòu)

2.3 場景數(shù)據(jù)的讀入

函數(shù)SetupHouse()用來從文件中取得數(shù)據(jù)資料。此函數(shù)在運(yùn)行時(shí)需要調(diào)用函數(shù)readstr()，從數(shù)據(jù)文件中讀入一個有意義的行數(shù)據(jù)，然后再把這些數(shù)據(jù)依次賦給區(qū)段的某個三角形的某個頂點(diǎn)的相應(yīng)變量，通過這種方式將數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中。

表2 場景文件的部分內(nèi)容

2.4 加載位圖文件并轉(zhuǎn)化為紋理

系統(tǒng)中采用位圖進(jìn)行紋理映射［3］。LoadBMP()函數(shù)用來加載位圖文件(文件后綴擴(kuò)展名為bmp)。如果文件不存在，返回NULL值告知程序無法加載位圖。函數(shù)LoadGLTextures()調(diào)用LoadBMP()函數(shù)先加載位圖文件，然后將之創(chuàng)建為紋理。系統(tǒng)中創(chuàng)建3種紋理:Nearest Filtered Texture、Linear Filtered Texture 和 MipMapped Texture，這樣在程序運(yùn)行時(shí)可以通過鍵盤選擇不同的紋理樣式。創(chuàng)建Nearest Filtered Texture的代碼如下:

2.5 深度緩存

在屏幕顯示三維場景的OpenGL程序中都要使用深度緩存。可以將深度緩存設(shè)想為屏幕后面的層，深度緩存不斷地對進(jìn)入屏幕內(nèi)部的深度進(jìn)行跟蹤，以便對場景進(jìn)行排序，決定哪個物體先繪制，哪個物體后繪制，這樣才能正確地顯示場景。這部分程序設(shè)計(jì)在函數(shù)InitGL()中，具體代碼如下:

3 虛擬場景的漫游

3.1 不同方向漫游的設(shè)計(jì)

在OpenGL中默認(rèn)的鏡頭位置在原點(diǎn)(0，0，0)。本系統(tǒng)中漫游的功能是通過變換場景而產(chǎn)生移動或轉(zhuǎn)動鏡頭的錯覺實(shí)現(xiàn)的。具體是圍繞原點(diǎn)以與鏡頭相反的旋轉(zhuǎn)方向來旋轉(zhuǎn)場景，從而讓人產(chǎn)生鏡頭旋轉(zhuǎn)的錯覺，同時(shí)以與鏡頭平移相反的方向來平移場景。

系統(tǒng)中鏡頭(或叫相機(jī)、視點(diǎn))的移動是通過鍵盤上的幾個方向鍵控制的［4］:按“←”鍵可以使視點(diǎn)向左轉(zhuǎn)動;按“→”鍵可以使視點(diǎn)向右轉(zhuǎn)動;按“↑”鍵可以使視點(diǎn)向前移動;按“↓”鍵可以使視點(diǎn)向后移動;按“PgUp”鍵可以使視點(diǎn)向上偏移;按“PgDn”鍵可以使視點(diǎn)向下偏移。

由于鍵盤上每個鍵值都可以用0～255的1個數(shù)來代表，程序中定義了一個監(jiān)控鍵盤動作的全局?jǐn)?shù)組:bool keys［256］。當(dāng)程序運(yùn)行過程中有鍵盤被按下或釋放時(shí)就捕捉這部分消息并標(biāo)記數(shù)組中對應(yīng)相應(yīng)鍵的組成員，這部分代碼添加在窗口消息處理函數(shù)LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd，UINT uMsg，WPARAM wParam，LPARAM lParam)中。此函數(shù)中uMsg表示消息，wParam、lParam表示附加的消息內(nèi)容。如果有鍵被按下，通過讀取wParam的信息可以找出鍵值，將鍵盤數(shù)組keys［］相應(yīng)的數(shù)組組成員的值設(shè)為TRUE，這樣就可以通過查找key［］來得知什么鍵被按下。如果有鍵被釋放則將鍵盤數(shù)組keys［］相應(yīng)的數(shù)組組成員的值設(shè)為FALSE。

捕捉到相應(yīng)鍵盤消息后，將改變視點(diǎn)的代碼添加在函數(shù)WinMain()中。如按“↑”鍵可以使視點(diǎn)向前移動的代碼如下:

3.2 漫游的實(shí)現(xiàn)

程序運(yùn)行后，系統(tǒng)提示用戶選擇窗口和全屏2種模式。全屏顯示下，漫游效果更為逼真、沉浸性更好。用戶可以用鍵盤中4個方向鍵進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)進(jìn)行漫游，用“PgUp”、“PgDn”兩個鍵進(jìn)行仰視和俯視的操作，還可以按下“F”鍵觀察同一位圖的3種不同紋理樣式生成不同場景的效果(按3次分別對應(yīng)3種變化)。

4 碰撞檢測的處理

如果不考慮碰撞檢測問題，在漫游過程中觀察者有時(shí)可能穿墻而過，故應(yīng)在系統(tǒng)中對這種情況進(jìn)行正確的處理。本系統(tǒng)處理方法［5］:記錄第1次動作的視點(diǎn)位置，當(dāng)視點(diǎn)位置變換到一個新位置時(shí)，判斷是否有墻面穿越新舊視點(diǎn)的連線，如果有，則這個視點(diǎn)位置變動不能進(jìn)行，仍留在原位置，否則視點(diǎn)可以移動到新的位置。如以按“↑”鍵由室內(nèi)向外穿過A1墻壁(見圖1所示，此墻在地面的投影為一線段，其左端點(diǎn)的坐標(biāo)為(－2，0，－2)、右端點(diǎn)的坐標(biāo)為(－0.5，0，－2))為例，需要在WinMain()函數(shù)中的檢測“↑”鍵被按下的代碼中添加新的內(nèi)容:

運(yùn)行表明以上代碼起到較好的作用，漫游時(shí)不會使視點(diǎn)穿過A1墻體。

5 結(jié)束語

運(yùn)用圖形程序庫和Visual C++6.0開發(fā)了一個三維場景漫游系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中采用了光照、紋理映射、視點(diǎn)變換、碰撞檢測、全屏顯示等技術(shù)，增強(qiáng)了虛擬場景的真實(shí)感和沉浸式交互性。

［1］樊雅萍，黃生學(xué)，溫佩芝，等.基于OpenGL的機(jī)器人虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(10):119-121.

［2］和平鴿工作室.OpenGL高級編程與可視化系統(tǒng)開發(fā)——高級編程篇［M］.2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

［3］劉興龍，王斌，張赭，等.農(nóng)業(yè)中三維地形可視化及其漫游技術(shù)的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008(9):179-181.

［4］郭蓬松，殷宏，晏峰，等.基于OpenGL的飛機(jī)虛擬場景漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005.26(7):1938-1941.

［5］李熳，張曙光，劉英.電力系統(tǒng)中基于多邊形與圖像繪制相結(jié)合的實(shí)時(shí)漫游［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003(11):222-224.