化工仿真中位圖圖形學編程旋轉變換研究

何杰 王大立

摘要：在化工仿真中，為了貼近真實，可以將實物圖片貼于所繪化工單元設備、管道、框架、廠房等結構體表面。BMP圖像可被用作紋理圖。依據圖像顏色點陣數據（WinHex），編寫相關程序可對位圖進行像素級編輯，實現如顏色拾取、圖片移動、旋轉、翻轉、鏡像、摳圖等變換操作。作者編寫了位圖旋轉變換操作程序 （Visual C++，OpenGL），為將計算機圖形學編程用于化工仿真、虛擬現實進行了應用基礎研究;在程序for循環主代碼中，用“fread（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， fp）;”讀數據，用“fwrite（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， pFile）;”寫數據。其基本操作過程與手工刺繡或搭積木類似。讓計算機程序組織那些像素點“對號入座”，有秩序地從原圖像素網格中取出一個個像素單元格，再有秩序地放入變換后圖像像素網格中，實現預想像素級圖像變換操作。

關鍵詞：圖形學編程;位圖旋轉;像素讀寫;位圖;化工仿真;虛擬現實

中圖分類號：TN919.8? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0004-03

在化工設計中，常用制圖軟件是AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS， SketchUp等。這些軟件基本共同使用方法是主要通過操作鼠標、鍵盤直接在電腦屏幕上繪制出各種圖元，即點、線、面、體，再排列、組合，得到特定組合結構、形體、場景，所見即所得。另一區別制圖方法是，編寫、運行計算機制圖程序，生成目標圖形、場景。兩者各有優劣。在虛擬現實中，需要展現真實感圖形、場景、實現人機交互、動畫、視圖旋轉、漫游、科學計算可視化、仿真實驗等，后者對這些提供了可能，而且實現起來便捷、高效，程序運行流暢、穩定[1-6]。它在虛擬現實、化工仿真中獨樹一幟，不容小覷。可它目前并不為化工專業人員所普遍知曉，也很少被使用。

紋理映射允許把一個現實場景圖貼于3D結構體表面，更逼真，在虛擬現實（VR）場景模擬中作用突出。使用OpenGL （Open Graphics Library） 編程接口，能夠增強三維場景真實性。OpenGL提供了位圖操作函數。它是被用于渲染2D、3D矢量圖形、跨語言、跨平臺的應用程序編程接口。實現用C++結合OpenGL制作出一個虛擬化工廠，類似使用AutoCAD Plant 3D，可以考慮先用C++結合OpenGL繪制出化工3D圖形結構單元。然而，相比一般3D建模軟件，OpenGL并非卓爾不群，自成一格。將OpenGL與一般3D建模軟件結合起來，相輔相成，更行之有效。柳暗花明又一村，原來，由于OpenGL是圖形底層圖形庫，沒有提供幾何實體圖元，不能被直接用以描述場景。但是，通過一些轉換程序，可以很方便地提取出自AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS等的DXF， 3DS， OBJ， STL模型文件OpenGL頂點數組，進而對其再處理[7-9]。

宋葉未等[10]對BMP格式位圖文件結構和內容進行了詳細分析，給出了一種通用、易于移植的BMP格式位圖文件顯示算法。尹航等[11]討論了在VS2005環境下借助OpenGL和第三方庫CxImage，利用PNG圖片進行紋理映射。CxImage類庫是一個優秀圖像操作類庫，可以被用來快捷存取、顯示、轉換各種圖像。薛兆井等[12]研究了基于OpenGL讀取bmp圖像實現紋理映射的一種新方法。韓姣[13]探討了在VC++環境下BMP與GIF圖像文件格式轉換，編程實現了BMP圖像讀取、顯示和保存等相關操作。本文作者用C++結合OpenGL編寫了計算機程序，實現了位圖旋轉變換操作。

1 Bitmap-File解析

BMP文件由文件頭 （bitmap-file header）、信息頭 （bitmap-information header）、彩色表 （color table） 和位圖數據 （bitmap data） 四部分組成。如圖1a所示，點 （0，0） 和點 （514，0） 在其圖像數據表中對應No. 267289 pixel， No. 267803 pixel。其間點數是（267803-267289）+1=515 points，與例圖寬515 pixels吻合。在圖像數據表末，自左向右“F6 F6F6”分別表示該像素顏色BGR值，對應原圖10進制RGB分量， “246 246 246”，一致。如圖1b所示，隨意指定原圖中一點 （45，194），檢索到該點在圖像數據表中相應位置。

2 4 Bytes對齊問題

BMP文件有個重要特性是對于圖像數據區域，位圖每一行像素所占Byte數必須被4整除，否則，在該位圖每一行16進制碼末尾補1至3 Bytes “00”。“補零”只針對位圖寬檢驗。要行補位是因為32位Windows操作系統4-Bytes （32位） 處理速度較快。一個掃描行所占Byte數：（biwidth*biBitCount/8+3）/4*4或（biWidth*biBitCount+31）/32*4或（（width*biBitCount+31） >> 5）<< 2。其中，如圖1，其每行數據大小為515 pixels×3 Bytes/pixel = 1545 Bytes，不能被4整除，用“000000”補全，變為1548 Bytes （（515*24+31）/32*4=1548）。第515列為行補位列。同樣，VC++程序讀入BMP圖像，必須把每行Byte數轉換為4整數倍 （即以long為單位）。

biWidth 圖像寬度，以pixel為單位。

biBitCount bits/pixel

biWidth*biBitCount 一行所占位數