廖宏剛，劉 榮

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004)

“數(shù)字地球”的概念在1998年美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诩永Ｄ醽喛茖W(xué)中心發(fā)表的“數(shù)字地球:21世紀(jì)認(rèn)識(shí)地球的方式”［1］報(bào)告中被提出，引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注。1998年我國(guó)召開了第一屆“數(shù)字地球”國(guó)際會(huì)議，數(shù)字地球的構(gòu)建受到高度重視。數(shù)字地球的核心思想是用數(shù)字化手段來(lái)處理整個(gè)地球的自然和社會(huì)活動(dòng)等方面的問題，最大限度利用資源，并使普通百姓能夠通過一定方式方便獲得他們所想了解的有關(guān)地球的信息，它的特點(diǎn)是嵌入海量地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多分辨率、對(duì)地球進(jìn)行三維的描述，即“虛擬地球”。

總之，地理信息系統(tǒng)的普及加快了數(shù)字地球的高速發(fā)展，在國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)中，數(shù)字地形模擬的相關(guān)研究成果已成為其基本內(nèi)容，并植入到數(shù)字化空間框架中，進(jìn)行集約化、規(guī)?；a(chǎn)，試圖將其打造成為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品［2］。因此三維真實(shí)感地形圖的生成是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 OpenGL簡(jiǎn)介

OpenGL被定義為“圖形硬件的一種軟件接口”，是一個(gè)3D圖形和模型庫(kù)，具有高度的可移植性，除了可以在Windows系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，還可以在Unix/Linux等其它系統(tǒng)甚至各種大型計(jì)算機(jī)中進(jìn)行使用，做到了與硬件甚至與平臺(tái)無(wú)關(guān)［2］。OpenGL是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以創(chuàng)建優(yōu)雅漂亮的3D圖形，并且具有出色的視覺質(zhì)量，如今顯卡廠商均支持OpenGL，激烈的競(jìng)爭(zhēng)使OpenGL的性能保持領(lǐng)先。OpenGL不是一種編程語(yǔ)言，而是一些C函數(shù)。

2 MFC與OpenGL相結(jié)合

在MFC下編程需要以下幾個(gè)步驟:(1)創(chuàng)建工程，把OpenGL文件和庫(kù)加入到工程，用AppWizard建立一個(gè)單文檔的應(yīng)用程序，鏈接opengl32.lib、glu32.lib兩文件，在視類里添加OpenGL所需要包含的頭文件。(2)通過PreCreateWindow函數(shù)定義窗口的風(fēng)格。(3)添加消息響應(yīng)函數(shù)WM_CREATE，在函數(shù)里獲取DC、設(shè)置像素的格式、創(chuàng)建RC。(4)添加消息響應(yīng)處理函數(shù)WM_SIZE，建立視點(diǎn)、開啟透視變換和建立視景體。(5)添加消息響應(yīng)函數(shù)WM_ERASEBKGND，使得該函數(shù)不執(zhí)行，返回TRUE，這樣才消除重繪引起的閃爍。(6)添加響應(yīng)WM_DESTROY，釋放RC和D。(7)在OnDraw函數(shù)里繪制想繪的圖形。(8)編譯運(yùn)行程序。

3 數(shù)字高程模型的生成

高低起伏的地球表面其曲面不能用平面地圖表示。所以用數(shù)字高程模型的方法來(lái)表示，這種方法已被廣泛使用［3］。數(shù)字高程模型，用來(lái)表示地形特征空間分布的模型，它是按照一定的結(jié)構(gòu)以數(shù)字形式組織在一起，是地形起伏和形狀大小的一種數(shù)字描述。

數(shù)字高程模型有3種主要模型:規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)模型有較多不足，比如在地形平坦地方，存在大量數(shù)據(jù)冗余，難以表達(dá)出復(fù)雜地形突變現(xiàn)象。在數(shù)字地形建模中，不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表現(xiàn)的最優(yōu)秀，它可以減少規(guī)則格網(wǎng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)冗余問題，在計(jì)算坡度效率方面又優(yōu)于基于等高線的方法，它通過用一系列互不交叉也互不重疊的連接在一起的三角面片來(lái)逼近地形表面。不規(guī)則三角網(wǎng)可以由于地形的復(fù)雜性而通過改變采樣點(diǎn)的密度以及決定采樣點(diǎn)的位置，從而能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余。三角形在形狀、大小方面有較大靈活性，它能很好地?cái)M合地形，同時(shí)又比較容易地融合斷裂線、生成線，所以基于三角形的這種方法，在地形表面建模中應(yīng)用越來(lái)越多，成為表面建模的主要方法。

4 紋理映射

物體的表面通常都有紋理，采用紋理映射給計(jì)算機(jī)所繪制的物體加上紋理，使得物體更加三維逼真，視覺效果會(huì)更好。沒有采用紋理貼圖的地形模型只有光照的明暗效果，無(wú)法重現(xiàn)地表的真實(shí)面貌［4］。

地形的紋理映射貼圖的過程就是把紋理圖像貼到三維模型上。要注意實(shí)現(xiàn)DEM和影像的正確匹配，使得DEM網(wǎng)格點(diǎn)與影像的位置形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

紋理貼圖需要以下幾個(gè)基本步驟:(1)紋理的定義。紋理貼圖的過程中，對(duì)紋理圖像的尺寸是有要求的，它必須是2的N次方，N為＞0的整數(shù)，圖像尺寸應(yīng)＞1 024。它需要定義指向具體哪個(gè)紋理的數(shù)據(jù)指針，還有紋理大小，紋理的類別等，這些都通過調(diào)用glTexImage2D()函數(shù)來(lái)確定。(2)紋理控制。說(shuō)明所使用的紋理是以哪種方式映射到三維物體表面上。(3)紋理映射方式說(shuō)明。紋理可以用來(lái)替代地形模型的顏色，也可以將紋理與所繪制的地形顏色進(jìn)行融合。這是通過調(diào)用glTexParameterf()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(4)紋理的啟用。在地形的繪制前必須先調(diào)用開啟紋理函數(shù)glEnable(GL_TEXTURE_2D)。(5)紋理坐標(biāo)與幾何坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)。幾何坐標(biāo)決定了將地形在顯示器屏幕上的顯示位置，通過調(diào)用函數(shù)glVertex*()來(lái)確定;紋理坐標(biāo)決定了紋理圖像中的哪個(gè)紋理單元賦予這個(gè)頂點(diǎn)，通過調(diào)用實(shí)現(xiàn)的函數(shù)是glTexCoord*()，它們必須匹配，才能有良好的視覺效果。

5 人機(jī)交互動(dòng)態(tài)顯示地形三維效果

為使三維效果更加的逼真，可以通過在MFC的OpenGL繪圖框架里添加消息響應(yīng)通過glScale()，glTranslate*()，glRotate*()函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)地形的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，平移等功能，達(dá)到不同的三維視覺效果［5］。

6 三維真實(shí)感地形生成實(shí)例

本實(shí)例在Windows7系統(tǒng)上，以Visual C++和Opengl為開發(fā)平臺(tái)，用上述方法，生成了一個(gè)真實(shí)感三維地形。其三維地形模型如圖所示。

圖1為由原始點(diǎn)云生成的灰度圖像，它是一幅平面圖像，沒有立體效果。其灰度信息是根據(jù)整個(gè)場(chǎng)景的高程信息來(lái)賦值，最低點(diǎn)到最高點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)灰度值的0和255，即灰度值根據(jù)高程信息做0～255的線性拉伸。

圖1 二維灰度圖象

圖2為由原始點(diǎn)云生成數(shù)字高程模型后進(jìn)行紋理映射得到的整個(gè)真實(shí)感場(chǎng)景效果圖，在這個(gè)圖中可以明顯地看出立體效果。通過此界面可以看出，這是在MFC下實(shí)現(xiàn)的OpenGL繪圖顯示，可以通過菜單選項(xiàng)里的圖形變化方便地對(duì)圖像操作，實(shí)現(xiàn)放大縮小、選擇、平移，并可以從各個(gè)視角去觀看。

圖2 三維真實(shí)感地形整個(gè)場(chǎng)景圖

圖3為圖2的局部放大圖，三維立體感明顯，具有良好的3D視覺效果。

圖3 三維真實(shí)感地形場(chǎng)景局部放大圖

7 結(jié)束語(yǔ)

文中通過對(duì)地形的三維可視化的實(shí)現(xiàn)表明基于MFC和OpenGL相結(jié)合再使用紋理映射能更好地實(shí)現(xiàn)地形的動(dòng)態(tài)三維模擬。

［1］AL GORE.The digital earth:understanding our planet in the 21st century［M］.Given at the California Science Center，Los Angeles，California，1998.

［2］ 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2001.

［3］ 劉少華，程朋根，陳斐，等.TIN構(gòu)建算法的研究及OpenGL下三維可視化［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003(18):72－74.

［4］DAVE S.OpenGL Programming Guide［M］.李軍，徐波，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 田紅鵬，馬苗.OpenGL及其基于VC++6.0的開發(fā)［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(4):365－368.