基于OpenGL的雨傘建模與仿真技術研究

白慶月 岳俊瑞 郭 肖

（山西工商學院計算機信息工程學院，山西太原030000）

1 OpenGL概述

追溯到計算機發展初期，人們就開始不斷探索和研究圖形圖像的形成與發展，接著就出現了大批從事計算機圖形、圖像開發和研究的專業人士，但直到20世紀80年代末90年代初，三維圖形才開始迅速發展。OpenGL作為一個性能優越的圖形應用程序設計界面（API），是專業圖形處理、科學計算等高端應用領域的標準圖形庫。它具有以下功能：模型繪制、模型觀察、顏色模式指定、光照應用、圖像效果增強、位圖和圖像處理、實時動畫、交互技術[1]。

OpenGL是一套標準圖形庫，它嚴格按照計算機圖形學原理設計而成，符合光學和視覺原理，非常適用于可視化仿真系統。通常，一個完整的窗口系統關于OpenGL圖形處理系統的結構大致可以分為：圖形硬件、操作系統、窗口系統、OpenGL函數庫、應用軟件[2]。

2 雨傘的建模

OpenGL實用程序庫中的函數以“glu”為前綴，這部分函數通過調用核心庫的函數，來實現一些較為復雜的操作，如紋理映射、坐標變換、網格化、曲線曲面以及二次物體的繪制等，如圓柱體、球體等實物圖形的繪制。本文以雨傘為例進行仿真應用，如圖1所示。

圖1 雨傘傘面圖

2.1 OpenGL圖形操作步驟

根據OpenGL的基本工作流程，研究分析歸納出主要的圖形操作流程，具體過程由點及面，進而實現各部分顏色的繪制，直至模型形成之后在計算機屏幕上最后進行圖形的渲染，從而實現三維圖形景觀的繪制[3]。基本操作步驟如下：

（1）建立景物模型，并且進行數學描述：即將點、線、多邊形、圖像和位圖都作為基本圖形單元。

（2）設置視點位置景觀：把景物模型放在三維空間中合適的位置，并設置視點以觀察所感興趣的景觀。

（3）計算色彩：根據應用要求計算并確定模型中所有物體的色彩，同時確定光照條件、紋理粘貼方式等。

（4）光柵化：將景物模型的數學描述及其色彩信息轉換至計算機屏幕上的像素，這個過程也就是光柵化。

在這些步驟執行的過程中，OpenGL可能執行其他的一些操作，例如自動消影處理等。在應用功能調用時，一些命令就會被分配放置在一個命令區域，稱為“命令緩沖區”。景物光柵化之后被送入幀緩沖器之前還可以根據需要對像素數據進行操作，光柵階段根據圖形的顏色、幾何紋理數據等創建彩色圖像，從而完成圖形繪制的準備工作[4]。

2.2 圖形的繪制程序

根據模型的建立思想和圖像建模實施的操作流程，在具體實施過程中，遵循圖形繪制步驟，從傘桿、傘柄、傘筋、傘布這幾個部分進行分模型繪制，嘗試三維圖像圖形的繪制。對雨傘建模及其各部分繪制程序如表1所示。

表1 雨傘各部分建模程序

2.3 圖形成像分析

在圖像形成的過程中，最先是通過頂點數據進行轉換的，所有描述物體的幾何形狀的點又被重新計算，進一步確定表征物體的圖像的位置和方向，與此同時，光照計算確定了物體的投影每個頂點應該具有的顏色與亮度，接著數據就會被輸入光柵化部分，再經過創建彩色圖像的過程，圖像基本形成，被放入幀緩沖區部分，這就意味著物體不僅成像，而且將會在屏幕上被顯示出來[5]。

2.3.1 調整顏色背景、光照、材質的圖例

依據信息變換計算和處理圖形圖像。這一模塊的作用是加強物體的圖像顏色管理，對圖形的材質、背景和光照的渲染包括背景色的選取、邊框圖形的顏色定義。圖2、圖3是在調整了顏色背景、光照、材質的情形下繪制的圖像。

圖2 傘面正面圖

圖3 傘面俯視圖

2.3.2 顯示頂點、線框旋轉、坐標變換的圖例

在這一模塊中，OpenGL對圖形的各種形式進行設計，針對某一個點的坐標實施旋轉、平移、縮放等，通過鼠標拖動，設計隨機與繞固定點、定軸旋轉等狀態。圖4、圖5、圖6、圖7是對物體的線框、圖像實施旋轉、坐標變換的實例圖。

圖4 雨傘傘架結構圖

圖5 雨傘傘面線框圖

圖6 傘面旋轉圖

圖7 傘面坐標變化圖

3 結語

本文通過對雨傘各部分的建模和圖像繪制從而實現三維可視化，更加直觀、形象地表達二維圖形所不能表達的信息，為現階段圖形的繪制技術提供了一定的理論驗證與技術支持，而且在質量和效率上也有比較大的突破，顯示出了圖形繪制技術方面的優越性，對后續三維圖形圖像的研究與應用具有基礎性的作用。