基于OpenGL的交互式虛擬漫游系統開發研究

李婷婷，余慶軍

(大連東軟信息學院 數字藝術系，遼寧 大連 116023)

0 引 言

近年來，隨著信息技術的迅速發展，計算機處理器能力顯著增強，圖形繪制技術顯著提高，促進了虛擬現實技術的發展。虛擬現實技術(virtual reality，VR)由美國人Jaron Lanier提出，可以讓用戶置身于一個虛幻環境中，產生身臨其境的感覺[1]。虛擬現實技術的應用非常廣泛，在建筑、醫療、軍事、航天等領域都有涉及，其中虛擬場景漫游作為虛擬現實技術的一個重要應用，近年來已成為研究熱點。例如，美國的Stanford大學、Washington大學等主要研究虛擬現實技術的跟蹤、識別、運動對象動態跟蹤等領域，并取得了突破性的進展[2-5]；浙江大學針對桌面虛擬漫游系統進行研究，開發了一套虛擬建筑環境實時漫游系統[6]；清華大學針對虛擬現實臨場感進行研究，取得了較好的真實感效果[7]。在傳統虛擬漫游系統開發的基礎上，文中基于OpenGL技術開發交互式虛擬漫游系統，并詳細討論了交互式場景漫游的一些關鍵技術，為交互式虛擬現實技術發展提供參考。

1 系統概述

1.1 系統開發平臺

OpenGL是由SGI公司推出的一種圖形與硬件的接口，包括120個圖形函數，開發者可以用這些函數來建立三維模型和進行三維實時交互。由于其強大的圖形可視化功能且易于使用，已被認為是高性能圖形和交互式視景處理的標準。

1.2 漫游系統設計

圍繞交互式虛擬漫游系統的實現需求，將系統進一步劃分為四個模塊，其中建模模塊是利用OpenGL庫函數進行場景模型的3D建模，并采用VC++語言實現整個虛擬場景的搭建，交互模塊主要通過鍵盤交互方式向用戶發送并接收交互指令，比如前進、后退、轉向、開燈等功能。系統功能模塊如圖1所示。

圖1 系統架構

2 基于幾何建模的虛擬場景構建

基于幾何方式構建虛擬場景，首先需要根據場景模型進行數學建模，構造虛擬的三維景觀中的模型結構；然后按照場景顯示的需求，再采取紋理映射、光照等數學模型加以渲染；最后加入交互控制，實現虛擬漫游效果。

2.1 繪制地面

場景中地面繪制采用紋理映射方式實現[8-9]，通過將紋理貼圖映射到地面上實現地面真實感繪制需求，地面紋理貼圖效果如圖2所示。具體實現時，首先采用一個二維數組來定義紋理，然后將二維紋理表面到三維景物表面做一個映射，實現紋理貼圖效果。

圖2 地面紋理貼圖

2.2 繪制天空盒子

為虛擬場景增加天空盒子，能夠極大地增加整個場景的真實感程度[10]?？紤]到真實感和渲染速度，系統選用了盒子方法生成天空。首先在場景中構建一個六面體，然后制作天空盒紋理，最后進行紋理貼圖。天空盒紋理圖片如圖3所示。

圖3 天空盒紋理圖片

2.3 繪制建筑模型

虛擬現實場景中的模型繪制是虛擬場景的基礎[11]，也是系統最為復雜的一部分，因為模型構造的質量直接影響到虛擬場景的真實感和沉浸感。文中構建的交互式虛擬漫游系統包括室外場景和室內場景。為了提高場景真實感，在系統中加入了很多細節模型，比如蛋糕、小狗、仙人掌、爐子等。另外考慮到系統開銷，在構建模型時盡量采用多邊形構建加紋理貼圖方式實現，部分代碼如下所示：

void DrawSence(void)

{glPushMatrix();

drawObject(50.0,5.0,50.0,0.0,-5.647,-10.0,0,0.0,0.0,0.0,78,78,78,78,78,78);

drawObject(9.2,5.0,25.0,-11.0,-5.646,-10.1,0,0.0,0.0,0.0,80,80,80,80,80,80);

drawObject(1.0,0.01,0.8,-0.4,-0.646,-0.4,0,0.0,0.0,0.0,77,77,77,77,77,77);

glPopMatrix(); }

3 虛擬場景交互功能實現

3.1 光源添加

物體表面向空間給定方向輻射的光強可應用光照模型進行計算[12]。場景光源添加時除了要考慮光源照射在物體表面產生的反射光外，還要考慮周圍環境的光對物體表面的影響[13]。因此，系統在場景建模時為其加入了環境光、漫射光這兩種光源，光源開啟前后對比如圖4所示。具體實現時，首先要創建、選擇光源，并為光源定位；然后根據gllight(Glenum pname,Glfloat param)定義光照的類型和參數；最后調用函數glEnable()啟動各個光源。光源部分代碼如下所示：

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,LightAmbient);

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,LightDiffuse);

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_POSITION,LightPosition);

glEnable(GL_LIGHT1);

圖4 光源開啟前后對比圖

3.2 粒子特效

為了增加系統真實感，在構建房屋場景時加入虛擬煙霧粒子。粒子系統是Revess在1983年提出的不規則物體建模方法，幾何特征簡單，可以采用多邊形來表示，非常適合模擬自然界中云、雨、霧等特效[14]。

3.2.1 定義粒子的數據結構

粒子結構中包含的粒子屬性主要有粒子的生命數值、初始速度、初始坐標等多項特性。系統中定義的粒子數據結構如下:

typedef struct//粒子結構

{ float life;//粒子生命周期

float fade;//粒子衰減速度

float r;//粒子顏色

float g;//粒子顏色

float b;//粒子顏色

float x;//粒子x方向位置

float y;//粒子y方向位置

float z;//粒子z方向位置

float xi;//粒子x方向加速度

float yi;//粒子y方向加速度

float zi;//粒子z方向加速度

float xg;//粒子x方向重力加速度

float yg;//粒子y方向重力加速度

float zg;//粒子z方向重力加速度

}

particles;

3.2.2 粒子出生

粒子出生過程即根據設計好的噴泉粒子屬性讓粒子出生，為每一個噴泉粒子進行屬性賦值，這個過程需要在初始化函數中用循環實現。

3.2.3 粒子的運動

系統中煙霧粒子的運動近似于斜上拋運動，具體粒子屬性更新如下所示：

位置：P(fi)=P(fi-1)+S(fi-1)*(fi-fi-1)。

速度：S(fi)=MS+RAND()*VS+A*(fi-f0)。

顏色：C(fi)=MC+RAND()*VC+△C*(fi-f0)。

透明度：T(fi)=MT+RAND()*VT+△T*(fi-f0)。

生存期：L(fi)=L(fi-1)-1。

其中，fi為幀號；△C和△T分別為粒子的顏色變化率和透明變化率。

3.2.4 粒子的繪制

主要是對粒子的屬性初值進行設定。每個周期都要對粒子的屬性進行更新，對粒子進行添加、刪除和移動操作，然后對粒子進行繪制，主要代碼如下：

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texture[0]);

AddParticles(); //添加新的粒子

MoveParticles(); //粒子運動函數

DeleteParticles(); //刪除粒子

3.2.5 粒子死亡

每一個粒子在初始化時都被賦予了生命值，隨著時間的流逝，粒子的生命值在逐漸衰減，當衰減到0時，系統認為粒子死亡，將其從系統中刪除。為了保證煙霧粒子的持續性，系統在定義一波粒子死亡的同時又產生一批新的粒子。

3.3 鍵盤交互

在三維場景漫游中，觀察者可以通過鍵盤來控制視點的位置、視向和參考方向[15]。視線方向可以由參考點位置確定，漫游的過程就是不斷移動視點或改變視線方向[16]。系統采用鍵盤上w、s、a、d鍵實現前后左右移動；采用j、l、k、i鍵實現旋轉操作，進而實現控制用戶漫游。

4 實驗與分析

為了驗證系統運行效果，文中進行了大量仿真實驗。仿真配置為Pentium(R) G4400、CPU 3.3 GHz、DDR4 4 G內存及Intel HD Graphics 510(128M)核心顯卡的PC機，編譯環境為Visual VC++6.0，結合三維圖形開發接口OpenGL作為軟件開發平臺。系統運行實驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 虛擬場景室外測試圖

圖6 虛擬場景室內測試圖

5 結束語

基于OpenGL技術開發交互式虛擬漫游場景并對一些關鍵技術進行了研究與分析，包括場景的建模、煙霧的模擬、地面天空的繪制、交互控制、視點漫游技術的實現等，可以給人以身臨其境的感覺。系統運行流暢，畫面真實感強，人機交互效果良好，擁有廣闊的應用前景。未來，隨著虛擬現實技術的不斷成熟，下一步將繼續考慮采用物理建模方式并利用GPU加速處理，得到更為真實、流暢的交互式虛擬漫游效果。

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