基于OpenGL的三維景觀動態仿真

劉 琪

(安徽工程大學， 安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

三維可視化技術是當今一個十分活躍的研究領域，已廣泛應用于地質、房地產、醫學、娛樂與游戲、氣象數據等多個領域.此技術的核心是在虛擬環境下如何實現三維真實感圖形的模擬仿真[1-2].

目前OpenGL (Open Graphics Library)是三維/二維圖形構建領域中最被廣泛接納的專業圖形接口，它是一個與硬件無關的軟件接口，包含120多個圖形韓式，可大量減少編程工作量，并且可在不同的平臺間支持相互移植，提供了處理光照和物體材質、紋理等眾多通用功能的強大底層圖形庫.結合OpenGL的眾多優點，本研究借助OpenGL軟件包實現了三維自然景觀的可視化控制系統，從而更直觀地表達虛擬環境下的三維景觀真實效果，便于眾多領域的可視化應用借鑒，具有一定的價值.

1 開發環境設置

本研究以Visual C++ 6.0可視化編程工具為平臺，借助OpenGL圖形庫來設置開發環境.具體的開發環境設置步驟如下[3-5]：

a.首先建立工程，并將OpenGL相關頭文件和鏈接庫分別加到Visual C++的Include和Lib的目錄中；

b.在視圖類的PreCreateWindow函數內設置窗口類型；

c.在視圖類的OnCreate函數下面進行OpenGL的初始化工作；

d.在OnSize 函數中定義視口和觀察坐標；

e.在OnDestroy函數中釋放繪制描述表RC和Windows設備描述表DC；

f.在OnDraw 函數中加入繪制場景的代碼.

2 自然景物的模擬及其關鍵技術

2.1 隨機插值地形的模擬

本研究在地形可視化過程中采用了隨機插值地形模擬的方法，設計思想如圖1所示.

圖1 隨機插值法模擬地形設計思想

2.1.1 隨機地形網格生成算法 地形模擬中涉及到的一個核心值就是高程值.所謂高程值，在測量學中定義是某地表點在地球引力方向上的高度，也就是重心所在地球引力線的高度.通俗的理解，高程也即是地面點到高度起算面的垂直距離，它是確定地面的一個重要因素.根據高程值的大小來模擬地形的高低起伏的效果.本文采用取隨機值的方法獲得某點高程值.核心算法描述如下：

在程序中首先分別定義出隨機地形的最大高程值m_max和最小高程值m_min變量，利用m_min+(m_max-m_min)*(float)(rand( )%10 000/10 000獲取生成地形網格所需某點高程值.

2.1.2 地形繪制——Catmull-Rom多階樣條曲線插值法 Catmull-Rom三次樣條插值算法是一種在已知點進行插值的一種有效算法，具有較強的穩定性和光滑性.結合Catmull-Rom三次樣條插值的特性和優點，本研究采用Catmull-Rom三次樣條曲線插值的方法[6-7]模擬三維地形.Catmull-Rom三次樣條簡單示意圖如圖2所示.

圖2 Catmull-Rom樣條曲線

圖2中P0、P1、P2、P3是控制點，定義一個浮點坐標u,u∈[0.0,1.0]，當u=0.0時為P1點，當u=1.0時為P2點，當u在[0.0,1.0]之間變化時，所描繪是3次分段插值Catmull-Rom樣條曲線，該樣條曲線基本方程如下所示(保持C1連續).

p(u)=0.5×[1uu2u3]·

(3-1)

最后，采用三角形近似、紋理貼圖和顯示列表技術，繪制出比較平滑和逼真的三維隨機地形，效果如圖3所示.

圖3 曲線插值法生成的地形和紋理生成后的地形

實現地形的可視化核心步驟為：

a.利用Catmull-Rom樣條公式(3-1)求出三維地形的隨機插值點；

b.設置在控制系統中顯示三維地形的大小；

c.調用網格列表函數實現地形網格的繪制；

d.利用紋理技術對隨機地形進行渲染；

e.通過調用OpenGL中SwapBuffers函數進行相關處理，實現交互系統三維景觀的動畫效果.

2.2 天空模擬[8-9]

本研究采用紋理映射技術模擬天空.首先從OpenGL三維圖形庫中調用gluSphere函數繪制一定大小的球體用球體模型繪制天空，然后采集天空真實數據，經PhotoShop處理后轉換成位圖文件，裝入程序中，將其作為紋理圖通過調用OpenGL 紋理函數進行設置紋理參數、綁定紋理、設置紋理坐標等步驟紋理映射[10-11]到球體模型上，從而使天空模型更加逼真地接近自然景觀，而且還能消除文本鋸齒.同時為增加動態感，實現了紋理按照一定的方向運動的效果.天空生成的流程圖如圖4所示，效果圖如圖5所示.

圖4 天空生成的流程圖

圖5 采集的真實天空圖片和紋理生成后的模擬天空

3 結 語

本研究采用OpenGL軟件包開發工具，在Visual C++ MFC建立的友好界面下，實現了三維自然景觀可視化控制系統的模擬.此控制系統實現的功能有：

a.通過工具欄上的菜單，隨機生成不同的三維地形和天空.

b.鍵盤的上、下、左、右鍵，對整體景觀實時漫游控制，從而更接近真實效果.

效果展示圖如圖6所示.

圖6 整體效果圖

參考文獻：

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