用軌跡球實現地物化資料三維立體圖的旋轉

袁小龍，段新力，畢 武，彭仲秋，黃顯義，李永華

（1.新疆地礦局 物化探大隊，新疆 昌吉 830011；2.烏魯木齊金維圖文信息科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830091）

用軌跡球實現地物化資料三維立體圖的旋轉

袁小龍1，2，段新力1，2，畢 武1，2，彭仲秋1，2，黃顯義1，2，李永華1，2

（1.新疆地礦局 物化探大隊，新疆 昌吉 830011；2.烏魯木齊金維圖文信息科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830091）

為了從各個角度觀察屏幕上的三維場景，可以通過鼠標的拖動來實現。通常的做法是使場景繞X、Y、Z旋轉，但這樣操作不方便，旋轉效果不理想。有一種更好的方法是：為三維場景建立一個外接球，旋轉外接球的同時旋轉了球體內的三維場景，這種技術叫軌跡球技術。這里介紹了軌跡球技術的數學原理、計算方法，并用軌跡球技術在OpenGL環境下實現了地物化資料三維立體圖的旋轉，操作起來方便直觀，人機交互體驗良好。

軌跡球；虛擬球；三維旋轉；四元數

0 前言

隨著計算機硬件、軟件技術水平的發展，地物化數據圖形表現形式越來越豐富。用三維圖形顯示地物化資料數據，形象直觀，易于理解。為了從各個角度觀察場景，可以通過旋轉不同的坐標軸來實現。但旋轉坐標軸操作復雜，不易理解，用戶使用不方便，作者在本文提出了使用軌跡球來解決這個問題。軌跡球技術是由Ken Shoemake提出的，假設場景中所有物體都包含在一個球體中，撥動這個球體，使其繞球心旋轉，這樣球體內的物體跟著旋轉，就可以達到旋轉物體的目的。在計算機操作中，屏幕上創建一個包含所有物體的軌跡球，通過鼠標在二維屏幕上的移動，模擬旋轉球體，可人機交互良好地實現三維場景的旋轉。

1 軌跡球坐標系的建立

（1）屏幕上的設備坐標稱為屏幕坐標，如下頁圖1（a）所示，矩形左上角坐標為（0，0），右下角坐標為 （w，h），w為視圖的寬度，h為視圖的高度，屏幕坐標以像素為單位，X方向朝右為正，Y方向朝下為正。

（2）定義正方形坐標系，如下頁圖1（b）所示，正方形左下角坐標為（－1，－1），右上角坐標為（1，1），中心點坐標為（0，0），X 方向從左向右增大，Y方向從下向上增大。

（3）將屏幕坐標 （screenX，screenY）轉換到正方形坐標（square X，squareY）系內。在X方向，將坐標從范圍（0，width）轉換到（－1，1），坐標變換為線性變換，令

當screenX＝0時，square X＝－1；當screenX＝width時，square X ＝1。將以上參數代入公式（1），得將a、b值代入公式（1），得到X 方向坐標轉換函數公式（2）。同理，可計算出Y方向坐標轉換函數公式（3）。

這樣轉換后的坐標X范圍為［－1，1］，Y范圍為［－1，1］，屏幕中心點坐標為（0，0）。

（4）做正方形的內切圓，如圖1（c）所示。內切圓以它的任意一條直徑為軸，旋轉180°，形成一個球體，如圖1（d）所示。設球體的中心為（0，0，0），半徑為1，我們把這個球體稱為軌跡球，軌跡球上的坐標系稱為軌跡球坐標系。

（5）將正方形坐標 （x，y）轉為軌跡球坐標（u，v，w）。首先，把正方形內的點分成兩部份，一部份在其內切圓內，另一部份在其內切圓之外。鼠標點擊的位置 （x，y）落在內切圓內，即時，以（x，y）為基點，做垂直于屏幕的射線，與軌跡球的外半球（屏幕上能看到的半球）相交于P點，如圖1（e）所示。在拖動鼠標時，相當于以P點為基點拖動球體，鼠標點擊的位置P（x，y）落在內切圓之外，即時，如圖1（f）所示。基點P在軌跡球之外，無法拖動球體，必須重新找一個在軌跡球上的基點，在uov平面內，連接OP，OP交內切圓于P’點，以P’點為基點拽動軌跡球。設θ為OP與OU的夾角，可得：

因軌跡球半徑為1，可得：

綜合鼠標點擊位置落在內切圓內和內切圓外兩種情況，可得公式（4）。

2 旋轉向量的計算

（1）旋轉軸及旋轉角度的確定。如圖2（a）所示，鼠標從P1點移動到P2點，得到兩個矢量，旋轉所張成平面的法向量，通過計算的叉乘，可得到旋轉軸

旋轉角度為OP1與OP2之間的夾角θ，在圖2（a）中，M為正方形左邊的中點，N為正方形右邊的中點，鼠標從M點拖動到N點時，軌跡球繞V軸旋轉了180°，同樣操作，如果要使軌跡球繞V軸旋轉360°，則旋轉角度得取θ的二倍。在實際使用過程中，旋轉角度α取θ的二倍更符合用戶習慣。

（2）多次旋轉累加。如果鼠標進行了多次拖動，則需要將多次拖動的效果累加起來。如圖2（b）所示，第一次拖動的旋轉量為，第二次拖動的旋轉量為

（3）旋轉矩陣的計算。四元數 Quat4（x，y，z，w）用來存儲旋轉軸和旋轉角度，設 （a，b，c）為旋轉軸向量，θ為旋轉角度，根據四元數旋轉公式：

如果鼠標進行了兩次以上的拖動操作，則需將多次旋轉效果進行累加。設Q1（w1，x1，y1，z1），Q2（w2，x2，y2，z2）為兩次旋轉的四元數，將兩次旋轉效果累加按公式（5）計算。

注意：Q＝Q1＊Q2中，先進行的是右邊項Q2的旋轉，再進行左邊項Q1的旋轉。將最終累加的四元數轉換成旋轉矩陣M［2］，在OpenGL中乘以這個旋轉矩陣M，實現軌跡球的旋轉。旋轉矩陣M按公式（6）計算。

3 軌跡球旋轉地物化三維立體圖實例

用OpenGL函數建立三維地質體模型，在鼠標移動的響應函數中，通過軌跡球計算出旋轉矩陣，當前模型視圖矩陣乘以旋轉矩陣，實現旋轉操作。

（1）實例1：對布格重力網格數據做切割法場分離，切割出五層（一層為一個網格距）的區域場和剩余場，把布格重力和五層剩余異常放在一起顯示，如圖3所示。用軌跡球旋轉操作，可以輕松地旋轉到用戶想要的任意位置。

圖3 用軌跡球旋轉重力三維圖Fig.3 Rotating 3Dgraphics of gravity by using arcball

（2）實例2：在鉆孔數據上，通過平行輪廓線截面法創建礦體模型，用軌跡球旋轉操作可以從各個角度觀察礦體及鉆孔。如圖4所示。

4 結束語

作者在本文討論了軌跡球坐標系的建立，旋轉軸及旋轉角度的計算，用四元數表達旋轉向量，多次旋轉效果的累加，以及四元數轉換成旋轉矩陣。在OpenGL環境下編程實現了三維地質模型體繞任意軸旋轉，并給出了兩個實例，用戶可以用二維設備（鼠標）輕松、直觀地旋轉三維場景。

圖4 用軌跡球旋轉礦體及鉆孔Fig.4 Rotating 3Dgraphics of drill hole and ore body by using arcball

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TP 317.4

A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.22

1001—1749（2012）05—0622—03

2011－11－24 改回日期：2012－06－16

袁小龍（1982－ ），男，本科，主要從事物化探軟件開發、數據處理和資料研究工作。