基于OpenGL的三維模型渲染算法研究

張志華，侯恩科，馬 露

(1.蘭州交通大學(xué) 數(shù)理與軟件工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；3.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局 遙感應(yīng)用研究院，陜西 西安 710054)

富有顏色的圖形圖像是人類最容易接受的信息，具有文字不可比擬的優(yōu)點。自從美國國家科學(xué)基金會在1987年提出科學(xué)計算可視化(VISC)以來，科學(xué)技術(shù)研究中的數(shù)據(jù)場的可視化問題越來越受到人們的重視[1-2]。數(shù)據(jù)場可視化中的一個關(guān)鍵問題，是如何運用不同的顏色來表達(dá)和區(qū)分不同的數(shù)據(jù)源。選擇好的漸變顏色，能夠高效地表達(dá)可見的和不可見的數(shù)據(jù)場，有利于人的視覺系統(tǒng)的分辨和識別。目前，國內(nèi)外開發(fā)了很多應(yīng)用于不同領(lǐng)域的VISC軟件系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，海量數(shù)據(jù)采用漸變偽彩色進(jìn)行表達(dá)。這種表達(dá)方法，對于流體力學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、地質(zhì)勘探、氣象學(xué)以及地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)場表達(dá)，具有很好的直觀性，增強了圖像的可視性。

為了高效地對地質(zhì)模型數(shù)據(jù)場進(jìn)行表達(dá)，本文研究了基于OpenGL表達(dá)的顏色渲染算法，并將這些算法運用在TIN模型以及礦山巷道三維模型的顯示中。這些成功的運用表明，這些算法是可行的和有效的。

1 顏色模型

顏色是可見光的一種視覺特性。從客觀上講，可見光本身并沒有顏色，但是可見光不同的光譜分布會刺激人眼產(chǎn)生顏色的感覺，因此，顏色是一種主觀評判概念。在圖像處理中,運用顏色主要受兩個因素推動，一是顏色作為一個強有力的描繪因子，常可簡化目標(biāo)物的區(qū)分及從場景中抽取目標(biāo)；二是根據(jù)Grassman定律及實踐證明，人的視覺系統(tǒng)大致可以分辨35萬種彩色顏色色調(diào)和亮度，卻只能辨別幾十種灰度層次[3]。所以，常常在圖像處理中，對于特定的單一亮度或亮度范圍賦予一種或多種彩色，使人眼更能有效地分辨不同屬性的數(shù)據(jù)。為了顯示數(shù)據(jù)的連續(xù)性、非突變性，常采用偽彩色漸變的方式賦予數(shù)據(jù)多種彩色。

彩色系統(tǒng)(也稱彩色模型或彩色空間)的用途，是在某些標(biāo)準(zhǔn)下，用通常可以接受的方式簡化彩色規(guī)范。本質(zhì)上，彩色模型是坐標(biāo)系統(tǒng)和子空間的規(guī)范。在計算機圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理學(xué)中，有兩種重要的原色混合系統(tǒng)，即紅、綠、藍(lán)(RGB)加色系統(tǒng)和青、品紅、黃(CMY)減色系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)中的顏色互為補色，即青色是紅色的補色，品紅是綠色的補色，黃色是藍(lán)色的補色。但遺憾的是，RGB、CMY和其他類似的彩色模型，不能很好地符合人們描述和解釋顏色的方式，它們沒有涉及用組成其顏色的每一原色的百分比給出物體的顏色。而HSI(色調(diào)Hue、飽和度Saturation和強度intensity)模型可在彩色圖像中，從攜帶的彩色信息(色調(diào)和飽和度)里消去強度分量，從而成為開發(fā)基于彩色描述圖像處理方法的理想工具，而且，這種彩色描述對人來說，是自然的、直觀的。文獻(xiàn)[4]中已經(jīng)詳細(xì)地描述了從RGB模型到HSV模型的相互變換。計算機圖形圖像處理中還有許多不同定義的彩色系統(tǒng)[3]，各種顏色模型之間可以相互轉(zhuǎn)換。因此，本文只在RGB彩色系統(tǒng)下，分析相應(yīng)彩色空間的漸變算法。

2 OpenGL中的顏色模型

OpenGL中，顏色系統(tǒng)所采用的模式為RGB模式。在該模式下，每一顏色分量都是從0～255。為了檢索和存儲的方便[5]，還是把這些整數(shù)換算成0.0～1.0之間的浮點數(shù)，即i/255，i為該整數(shù)。實際場景中光照的顏色是：環(huán)境光(ambient)、散射光(diffuse)、鏡面光(specular)。光只是顏色方程式的一部分。在現(xiàn)實世界中，物體具有它們自己的顏色，這主要是由材料屬性決定的，包括：材質(zhì)泛光、材質(zhì)漫反射光、材質(zhì)鏡面反射光和材質(zhì)發(fā)射光。所以，在現(xiàn)實世界中，人眼所看到的物體的顏色，是由實際場景光照和材質(zhì)的發(fā)射光、漫反射光等相互作用而成的[6,7]。

在OpenGL中，圖元的每個頂點將分配一個RGB顏色值，它是根據(jù)環(huán)境、散射和鏡面光乘以材料屬性的環(huán)境、散射和鏡面反射率所產(chǎn)生的純效果決定的。由于各個頂點間使用了漸變著色模式，因此能夠?qū)崿F(xiàn)照明和真實感的視覺。當(dāng)指定了場景中的光照設(shè)置與材料的屬性設(shè)置后，最終混合的顏色RGB值也就被計算出來了。

(1)

式中，materiala、materiald、materials、lighta、lightd、lights分別表示材質(zhì)和光源的環(huán)境反射光、漫反射光以及鏡面反射光顏色成分；Ia、Id、Is分別表示基于光照模型的環(huán)境反射光、漫反射光以及鏡面反射光的光強；scenea表示全局環(huán)境光強；materiale表示材質(zhì)發(fā)射光成分。

3 顏色漸變與渲染算法

用于數(shù)據(jù)場表示的顏色漸變問題，需要考慮的關(guān)鍵問題有：一是如何選擇合適的顏色；二是從一種顏色漸變成為另外一種顏色的插值方法[8]，設(shè)最大高程值所對應(yīng)的顏色為MAX(經(jīng)過光照和材質(zhì)屬性設(shè)置后的RGB強度)，最小高程值所對應(yīng)的顏色為MIN，為此，首先將MAX與MIN在RGB空間分解為紅、綠、藍(lán)分量，分別設(shè)為max_r、min_r、max_g、min_g、max_b和min_b，這些分量的取值范圍為[1.0, 1.0, 1.0]。設(shè)某一高程值的漸變顏色H的紅、綠、藍(lán)分量分別為Hr、Hg、Hb。將最大高程值與最小高程值之差歸一化為1，則H處的值為P∈[0,1]，可見P為浮點數(shù)，其中

(2)

(1)線性插值法(Linear interpolation)，各個紅綠藍(lán)分量的計算公式為：

(3)

(2)線性倒插法(Reverse linear interpolation)

(4)

其中

(5)

(3)余弦插值法(Cosine interpolation)

(6)

以線性插值法為例，在OpenGL中的顏色渲染算法步驟：

Step1：數(shù)據(jù)讀入；

Step2：查找出最大z值與最小z值，即max_z,min_z；

Step3：如果max_z==min_z，那么，顏色是一樣的，否則有：

(7)

當(dāng)Hz=min_z，有：glColor4f(min_r,min_g,min_b,1.0f);

當(dāng)Hz=max_z，有：glColor4f(max_r,max_g,max_b,1.0f);

當(dāng)min_z

即glColor4f(Hr,Hg,Hb,1.0f)。

以線性插值法為例，數(shù)據(jù)場顏色渲染流程如圖1所示。

通過動態(tài)獲取數(shù)據(jù)點的高程值，可以靈活地設(shè)置各數(shù)據(jù)點高程值的顏色RGB值，也可以動態(tài)調(diào)整RGB分量，從而得到模型所要表達(dá)的內(nèi)容。例如，將高程值大的數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的RGB分量全部調(diào)大，也可以只調(diào)大其RGB中的任意分量；相反，將高程值小的數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的RGB分量全部調(diào)小，也可以只調(diào)小其RGB中的任意分量，從而拉大顏色區(qū)間，使得顏色渲染效果更好。也就解決了如何運用不同的顏色來表達(dá)和區(qū)分不同的數(shù)據(jù)源。當(dāng)然，也可以將RGB模式轉(zhuǎn)換成HIS模式。

圖1 顏色漸變算法流程圖

為了驗證上面算法理論的正確性，使用MS Visual C++結(jié)合OpenGL進(jìn)行編程，對3D地物進(jìn)行顏色渲染。圖2是光源系統(tǒng)和材質(zhì)的動態(tài)設(shè)置，其中包括環(huán)境光、漫反射光、光源的位置、光強度、材質(zhì)泛光等的動態(tài)設(shè)置，通過圖2的動態(tài)設(shè)置，可以動態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)場的光照渲染。圖3是最大高程數(shù)據(jù)點和最小高程數(shù)據(jù)點的顏色設(shè)置，通過動態(tài)獲取RGB值，選擇顏色插值方法，就可以動態(tài)地調(diào)整地物的顏色渲染效果。

圖4為某地區(qū)地面TIN模型，圖5是該TIN所對應(yīng)的面模型，根據(jù)高程值的大小，設(shè)置離散點材質(zhì)的不同顏色，再通過光照模型的渲染即可。圖5中，黃色表示該地區(qū)高程值較大(圖形經(jīng)過旋轉(zhuǎn))。圖6是一巷道體模型，可以看出，根據(jù)高程值進(jìn)行了顏色渲染。圖7是某礦區(qū)三維巷道網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)高程值進(jìn)行了顏色渲染。

圖2 光源與材質(zhì)顏色設(shè)置

圖3 數(shù)據(jù)點顏色獲取

圖4 顏色線性插值法下的TIN

圖5 顏色線性插值法下的TIN面模型

圖6 顏色線性插值法下的巷道模型

圖7 顏色線性插值法下的巷道網(wǎng)絡(luò)模型

5 結(jié)論

本文使用MS Visual C++結(jié)合OpenGL進(jìn)行編程，對3D模型進(jìn)行顏色渲染。結(jié)果表明，該方法可以很好地表達(dá)數(shù)據(jù)場中的模型，即本文的顏色動態(tài)渲染算法是可行的，為開發(fā)相應(yīng)的三維建模軟件提供借鑒。

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