基于opengl的三維場(chǎng)景漫游實(shí)現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于opengl的三維場(chǎng)景漫游實(shí)現(xiàn)摘要： 本課題是關(guān)于opengl三維場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，具有縮放、旋轉(zhuǎn)等基本的功能。利用opengl創(chuàng)建三維模型的原理，本課題在理解opengl創(chuàng)建圖形元的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單三維場(chǎng)景模型的建立。通過(guò)建立全局Camera，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)景全方位的觀測(cè)，同時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的操作。在此基礎(chǔ)上，利用天空盒子和全局地形的方法，實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的基本框架，能夠在虛擬場(chǎng)景中任意角度的漫游。通過(guò)紋理貼圖的方法，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的創(chuàng)建，并對(duì)場(chǎng)景內(nèi)部的事物進(jìn)行碰撞檢測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的三維場(chǎng)景漫游。關(guān)鍵詞：三維建模; 全局Camera; 場(chǎng)景漫游;

2、紋理貼圖; 碰撞檢測(cè)目錄 專心-專注-專業(yè)1 課題論述1.1選題背景簡(jiǎn)介 隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)視覺(jué)的需求也越來(lái)越高，這正好也促發(fā)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展：從簡(jiǎn)單的平面圖形到3D空間的立體圖形空間的一個(gè)轉(zhuǎn)變，為opengl提供了廣闊的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)前景。隨著opengl的越來(lái)越成熟，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也變得廣泛起來(lái)。從計(jì)算機(jī)、多媒體、影視到醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。Opengl開(kāi)發(fā)的重心也有所轉(zhuǎn)變，從普通的三維場(chǎng)景的建立，到現(xiàn)在的大型復(fù)雜場(chǎng)景的三維信息生成、實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景光影效果的模擬和實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景的內(nèi)存使用控制，opengl的發(fā)展越來(lái)越成熟。 正是基于opengl目前廣泛的應(yīng)用，本課題從opengl基本的圖

3、形元的創(chuàng)建、渲染、視角的轉(zhuǎn)換等方面，選擇一些opengl的基本操作，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的三維場(chǎng)景空間的漫游，促進(jìn)對(duì)opengl進(jìn)一步的了解，也為以后進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)做準(zhǔn)備。1.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及運(yùn)行環(huán)境 本設(shè)計(jì)是基于Opengl 1.0在windows7操作系統(tǒng)下使用Visual C+6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)并調(diào)試，設(shè)計(jì)中使用了基于Win Application的架構(gòu)。1.2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建本設(shè)計(jì)是在Visual C+ 6.0下使用Opengl1.0庫(kù)開(kāi)發(fā)的，開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建步驟詳細(xì)如下：（1）安裝Visual C+ 6.0。（2）配置Opengl1.0由于Visual C+ 6.0本身帶有安裝好的opengl

4、1.0版本，所以一些頭文件和bin路徑的設(shè)置就不必要做了。但自帶的opengl1.0 沒(méi)有包含 glut函數(shù)庫(kù)，所以需要下載glut函數(shù)庫(kù)，并正確的設(shè)置include和bin的路徑，并把dll文件放到system32下。1.2.2 opengl繪圖機(jī)制 在Windows環(huán)境的繪圖機(jī)制下使用圖形設(shè)備接口GDI作圖要通過(guò)設(shè)備上下文調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，用opengl作圖也是這樣。Opengl通過(guò)“渲染上下文”即RC完成對(duì)三維圖形的繪制。Windows下的設(shè)備上下文和窗口都支持“文圖格式”屬性，和RC在位圖結(jié)構(gòu)方面是一致的。因此只要在創(chuàng)建RC的同時(shí)與一個(gè)DC建立聯(lián)系，opengl函數(shù)就可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的DC繪

5、制到相應(yīng)的顯示設(shè)備上面。2課題實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)2.1 場(chǎng)景建模 場(chǎng)景的建模能夠直接的展示出場(chǎng)景的 三維特性，也是影響三維可視化功能的關(guān)鍵。在本課題中，我主要完成了一下幾個(gè)場(chǎng)景的建模。 首先是地形的建模，在地形的建模中，采用了四邊形近視模型和紋理貼圖的方式來(lái)完成。在xoz平面，建立的是一個(gè)46*46的網(wǎng)格模型，其中每個(gè)方格的大小大約為7個(gè)坐標(biāo)。在y方向，通過(guò)讀取位圖信息的方式，建立的隨機(jī)高度的模型。其中，地形中心部分為平面，用于建立一些基本的場(chǎng)景，而地形的邊界部分，用位圖數(shù)據(jù)隨機(jī)讀取，生成一圈環(huán)繞的小山，把整個(gè)場(chǎng)景環(huán)繞在山圍之中。房子模型的建立是通過(guò)opengl簡(jiǎn)單的圖形元建立，首先建立房子的四周

6、，即四個(gè)圍墻，用四個(gè)平面圖形建立，然后屋頂通過(guò)兩個(gè)四邊形和兩個(gè)三角形進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)三維房屋的構(gòu)建。天空的建立有很多方法，基本的有兩種：一種是天空盒法，另一種是天空球法。天空盒是有一個(gè)長(zhǎng)方體，在它的各個(gè)面上貼有天空的圖片組成。天空球是有一個(gè)球體，在它的表面貼上天空的紋理組成。天空球相對(duì)于天空盒子較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍枰粡埣y理，但為了顯示效果的真實(shí)性，本課題采用的是天空盒子的方法，建立六個(gè)天空的面，然后選取合適的天空?qǐng)D片進(jìn)行貼圖。由于六個(gè)面的鏈接處會(huì)出現(xiàn)一條線，為了實(shí)現(xiàn)天空的無(wú)縫連接，需要設(shè)置紋理的一些屬性，來(lái)達(dá)到天空的無(wú)縫連接。2.2 場(chǎng)景渲染場(chǎng)景的渲染對(duì)于三維空間來(lái)說(shuō)也是十分最要的，因?yàn)檫@直接決

7、定著場(chǎng)景的真實(shí)性。本課題主要利用了紋理映射場(chǎng)景進(jìn)行渲染。紋理映射是把紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過(guò)程，利用紋理映射，可以使三維的世界顯得更加的逼真。本課題中主要對(duì)地形、天空、房子等進(jìn)行了紋理的渲染，同時(shí)利用鼠標(biāo)來(lái)旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)，相當(dāng)于對(duì)物體進(jìn)行了三維空間的旋轉(zhuǎn)，來(lái)更好的觀測(cè)場(chǎng)景的效果。2.3 紋理映射 紋理映射技術(shù)的原理是通過(guò)把紋理空間坐標(biāo)與物體空間坐標(biāo)的每一點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)把二維的紋理圖像映射到三維的物體表面，從而呈現(xiàn)出真實(shí)的視覺(jué)效果。 紋理映射操作包括啟用及載入紋理，指定紋理坐標(biāo)，設(shè)置紋理的參數(shù)，使用紋理對(duì)象等方面。Opengl中規(guī)定紋理貼圖在RGBA模式下。本文啟用了open

8、gl中的紋理映射技術(shù)來(lái)對(duì)三維場(chǎng)景中的地形、天空和房子進(jìn)行紋理的渲染，實(shí)現(xiàn)的大體過(guò)程如下：（1） 首先要?jiǎng)?chuàng)建紋理對(duì)象并且為此對(duì)像指定紋理。調(diào)用glGenTexture()函數(shù)創(chuàng)建紋理對(duì)象，使用一個(gè)正整數(shù)對(duì)紋理對(duì)象進(jìn)行編號(hào)，并把相應(yīng)的對(duì)象存儲(chǔ)到指定的數(shù)組中。最后調(diào)用glBindTexture()函數(shù)實(shí)現(xiàn)把生成的紋理名字綁定到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)紋理上。（2） 控制濾波的方式Opengl在圖像的時(shí)候，有可能顯示的圖像比原始的要大，也有可能比原始的圖像要小，所以要采用控制濾波的方式，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛涂s小。本課題采用的是GL_LINEAR方式，這樣紋理總是以平滑的方式來(lái)顯示。（3） 啟用紋理并載入紋理的數(shù)據(jù)首

9、先要啟用紋理，通過(guò)glEnable(GL_TEXTURE_2D)來(lái)啟用二維的紋理，并通過(guò)glBindTexture()和glTexImage2D()來(lái)綁定紋理數(shù)據(jù)。由于貼紋理的時(shí)候要明確紋理與映射物體的映射關(guān)系，所以通過(guò)函數(shù)glTexCoord2f()來(lái)進(jìn)行綁定。2.4 碰撞檢測(cè) 碰撞檢測(cè)技術(shù)主要是對(duì)場(chǎng)景內(nèi)部的物體進(jìn)行的，由于場(chǎng)景都是自己通過(guò)三維圖形建立的，而隨著在場(chǎng)景內(nèi)部全局Camera的移動(dòng)，相當(dāng)于觀察者在場(chǎng)景中進(jìn)行漫游。當(dāng)觀察者移動(dòng)到一些場(chǎng)景內(nèi)部時(shí)，如果沒(méi)有碰撞檢測(cè)，就會(huì)直接穿過(guò)物體，不符合實(shí)際的情況，所以需要引入碰撞檢測(cè)技術(shù)。碰撞檢測(cè)技術(shù)有很多中，本課題采用的是基于盒子的碰撞檢測(cè)原理，

10、即在被檢測(cè)物體的一定范圍之內(nèi)，假設(shè)存在一個(gè)盒子把物體包圍住，當(dāng)觀察者移動(dòng)到盒子的范圍邊界時(shí)，就停止一定，然后根據(jù)Camera的角度，進(jìn)行偏移。本課題場(chǎng)景比較簡(jiǎn)單，主要是有山和房子組成，所以碰撞檢測(cè)只做了山和房子的檢測(cè)。對(duì)于山的檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，利用盒子原理，在山的內(nèi)部邊界部分，設(shè)置一個(gè)四方體邊界，當(dāng)相機(jī)移動(dòng)到邊界的時(shí)候，就停止移動(dòng)，然后根據(jù)角度左右或則前后移動(dòng)，防止穿過(guò)環(huán)繞山。而對(duì)于房子的檢測(cè)，就要分為好幾部分，墻面的檢測(cè)，門(mén)的檢測(cè)。其中在房子內(nèi)部和外部的邊界部分都要做邊緣的檢測(cè)，使從外部進(jìn)入和里面出來(lái)都不能穿過(guò)墻面和門(mén)。其實(shí)現(xiàn)方法也是在墻面和門(mén)的附近很小的距離設(shè)置檢測(cè)邊界，當(dāng)?shù)竭_(dá)邊界時(shí)，即碰撞到

11、了物體，不能越過(guò)邊界，從而達(dá)到碰撞檢測(cè)并不穿過(guò)物體的目的。3漫游場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn) 3.1 全局Camera的創(chuàng)建由于需要在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)漫游，如果只是簡(jiǎn)單的控制坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)，不能夠?qū)?chǎng)景中的物體進(jìn)行全方位的觀察，因此引入了全局Camera，通過(guò)鍵盤(pán)的方向鍵和鼠標(biāo)的移動(dòng)，來(lái)控制Camera移動(dòng)的方向和角度，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游。場(chǎng)景中大量的旋轉(zhuǎn)和平移，如果沒(méi)有相機(jī)來(lái)控制的話，程序會(huì)顯得雜亂。因此。本課題首先創(chuàng)建了Camera來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ViewMatrix矩陣和ProjectMatrix矩陣的管理。通俗的說(shuō)，就是由相機(jī)來(lái)維護(hù)整個(gè)場(chǎng)景的平移、旋轉(zhuǎn)等矩陣換算，還有遠(yuǎn)近裁剪面的矩陣，這樣大量復(fù)雜計(jì)算全都在相機(jī)這樣一個(gè)

12、實(shí)體類(lèi)中得以處理，使用者只需要調(diào)用相機(jī)的外部接口來(lái)滿足自己的視角，相機(jī)內(nèi)部處理矩陣計(jì)算，最終傳遞給OpenGL對(duì)應(yīng)的Matrix，從而支撐起整個(gè)場(chǎng)景的視覺(jué)效果。在程序設(shè)計(jì)中，首先創(chuàng)建了Camera類(lèi)，包含一些基本的處理函數(shù)，關(guān)鍵的函數(shù)部分如下：void setCamera(float positionX, float positionY, float positionZ, float viewX, float viewY, float viewZ, float upVectorX, float upVectorY, float upVectorZ);void rotateView(float

13、angle, float X, float Y, float Z); /* 旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)方向 */void setViewByMouse(); /* 根據(jù)鼠標(biāo)設(shè)置攝像機(jī)觀察方向 */void yawCamera(float speed); /* 左右攝像機(jī)移動(dòng) */void moveCamera(float speed); /* 前后移動(dòng)攝像機(jī) */ void setLook(); /* 放置攝像機(jī) */void checkForMovement(); /*檢查時(shí)候移動(dòng)*/void CheckedgeCollision(Vector3f oldPos,Vector3f oldView); /*碰

14、撞檢測(cè)*/首先需要調(diào)用setCamera()，初始化相機(jī)開(kāi)始的位置，在本程序中，相機(jī)的初始位置設(shè)定在場(chǎng)景的中心，方便后邊的碰撞檢測(cè)。然后通過(guò)鍵盤(pán)或則鼠標(biāo)的相應(yīng)事件，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，判斷是要向哪個(gè)方向一定。程序中設(shè)定“W、S、A、D、Shift”以及鍵盤(pán)上的方向鍵為相機(jī)移動(dòng)和加速的響應(yīng)鍵，當(dāng)方向鍵被按下時(shí)，調(diào)用yawCamera() 函數(shù)和moveCamera()函數(shù)，獲取移動(dòng)的方向，保存相應(yīng)的值。同時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo)，調(diào)用setViewByMouse()函數(shù)，通過(guò)計(jì)算鼠標(biāo)移動(dòng)的角度，獲取Camera要旋轉(zhuǎn)的視角。最后調(diào)用checkForMovement()函數(shù)，檢查鍵盤(pán)和鼠標(biāo)是否移動(dòng)，如果移動(dòng)，把上述

15、獲取的值賦予Camera，移動(dòng)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)漫游的效果。對(duì)于場(chǎng)景內(nèi)部的物體，需要做碰撞檢測(cè)來(lái)達(dá)到真實(shí)性，所以本程序采用了包圍盒子的方法，在被檢測(cè)物體一定小的范圍內(nèi)，設(shè)置檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)相機(jī)移動(dòng)到檢測(cè)區(qū)域的邊界時(shí)，在checkForMovement()函數(shù)中調(diào)用CheckedgeCollision()函數(shù)，做出判斷，看是否碰撞到檢測(cè)邊界，如果是，則停止移動(dòng)，防止穿過(guò)被檢測(cè)物。3.2 地形和天空的繪制實(shí)現(xiàn)了全局Camera后，接下來(lái)就要繪制基本的框架：地形和天空。對(duì)于地形，本程序分為兩部分：一部分是高低不平的環(huán)繞山，另一部分是平地，用于建造房子等場(chǎng)景。對(duì)于天空的繪制，采用了天空盒子的思想，即繪制一個(gè)長(zhǎng)方體

16、，把所有的場(chǎng)景包含進(jìn)來(lái)。本程序中，設(shè)計(jì)了一個(gè)SkyBox類(lèi)，用于繪制地形和天空，具體的機(jī)構(gòu)如下：class SkyBoxpublic: SkyBox(); SkyBox(); void CreateSkyBox(); /天空包圍盒 void DrawGround(); /繪制地面并紋理貼圖void Init(); /初始化地形 Vector3f m_TerrainCoordm_TerrainSize*m_TerrainSize; /網(wǎng)格坐標(biāo)數(shù)據(jù)void InitTerrainData(float height); /初始化地形數(shù)據(jù) void DrawGrid(int minrow,int ma

17、xrow,int mincol,int maxcol);private:GLuint m_Skybox6; GLuint m_Groundtexture2; AUX_RGBImageRec *m_TerrainImage; Texture m_Texture;對(duì)于地形的劃分，程序采用了46*46個(gè)小網(wǎng)格的方法來(lái)繪制，存儲(chǔ)在m_TerrainCoord 數(shù)據(jù)中, 對(duì)于地形的高度部分，由于高度不統(tǒng)一，所以程序通過(guò)調(diào)用auxDIBImageLoad()函數(shù)，讀取一張位圖的RGB數(shù)據(jù)信息，來(lái)隨機(jī)的分配高度，并通過(guò)InitTerrainData(float height)函數(shù)，初始化紋理的信息。當(dāng)所有的

18、數(shù)據(jù)都初始以后，調(diào)用DrawGround()函數(shù)，繪制地形。對(duì)于天空的繪制，首先設(shè)置天空盒子的長(zhǎng)、寬、高以及繪制原點(diǎn)的坐標(biāo)，然后調(diào)用CreateSkyBox()函數(shù)進(jìn)行繪制。其中，為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)面的鏈接出沒(méi)有縫隙，在CreateSkyBox()函數(shù)中通過(guò)glTexParameteri()函數(shù)設(shè)置紋理的參數(shù)信息，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫的鏈接。3.3場(chǎng)景的繪制地形和天空的基本框架繪制完成以后，就是場(chǎng)景內(nèi)部物體的繪制。在本程序中，場(chǎng)景比較簡(jiǎn)單，只繪制了房子和環(huán)繞山。其中環(huán)繞山在繪制地形的時(shí)候已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，所以只需要實(shí)現(xiàn)房子場(chǎng)景。對(duì)于房子的繪制，程序分為四部分：四個(gè)墻面、兩個(gè)斜的屋頂、兩個(gè)上部的三角墻面和門(mén)，通

19、過(guò)House類(lèi)，實(shí)現(xiàn)基本的繪制?；镜慕Y(jié)構(gòu)如下：class Housepublic: House();House();void Init();void DrawHouse(); /繪制房子void DrawSurface(); /繪制墻面void DrawDoor(); /繪制門(mén)void DrawRoof(); /繪制斜屋頂void DrawRoofOb(); /繪制直屋頂bool open ;private:Texture m_Texture;GLuint m_WallTexture4;房子的繪制比較簡(jiǎn)單，主要繪制一些基本的線元和小方格，然后綁定紋理的信息。首先是調(diào)用Init()函數(shù)，初始化

20、房子的紋理信息，然后調(diào)用各個(gè)繪制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)房子的繪制。3.4紋理和字體類(lèi)的設(shè)計(jì) 程序中對(duì)于紋理和顯示字體的部分，也分別設(shè)計(jì)了Texture類(lèi)和Font類(lèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)紋理和字體的調(diào)用。具體的結(jié)構(gòu)如下：紋理類(lèi)：class Texturepublic: bool LoadTexture(char *filename, GLuint &texture); /生成一個(gè)紋理，并用texture邦定 bool LoadAlphaTexture(char *filename,char *alphafilename, GLuint &texture,unsigned char compare);void Readstr(FILE *f,char *string); /讀取文件中的數(shù)據(jù)字體類(lèi)：class Fontpublic: Font(); Font(); bool InitFont(); void Pr