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        基于OpenGL的雨傘建模與仿真技術(shù)研究

        2020-11-29 14:05:56白慶月岳俊瑞
        機電信息 2020年33期
        關(guān)鍵詞:傘面光柵雨傘

        白慶月 岳俊瑞 郭 肖

        (山西工商學(xué)院計算機信息工程學(xué)院,山西太原030000)

        1 OpenGL概述

        追溯到計算機發(fā)展初期,人們就開始不斷探索和研究圖形圖像的形成與發(fā)展,接著就出現(xiàn)了大批從事計算機圖形、圖像開發(fā)和研究的專業(yè)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(fā)展。OpenGL作為一個性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計界面(API),是專業(yè)圖形處理、科學(xué)計算等高端應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用、圖像效果增強、位圖和圖像處理、實時動畫、交互技術(shù)[1]。

        OpenGL是一套標準圖形庫,它嚴格按照計算機圖形學(xué)原理設(shè)計而成,符合光學(xué)和視覺原理,非常適用于可視化仿真系統(tǒng)。通常,一個完整的窗口系統(tǒng)關(guān)于OpenGL圖形處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可以分為:圖形硬件、操作系統(tǒng)、窗口系統(tǒng)、OpenGL函數(shù)庫、應(yīng)用軟件[2]。

        2 雨傘的建模

        OpenGL實用程序庫中的函數(shù)以“glu”為前綴,這部分函數(shù)通過調(diào)用核心庫的函數(shù),來實現(xiàn)一些較為復(fù)雜的操作,如紋理映射、坐標變換、網(wǎng)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(yīng)用,如圖1所示。

        圖1 雨傘傘面圖

        2.1 OpenGL圖形操作步驟

        根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)學(xué)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(shè)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(shè)置視點以觀察所感興趣的景觀。

        (3)計算色彩:根據(jù)應(yīng)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(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)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(zhí)行的過程中,OpenGL可能執(zhí)行其他的一些操作,例如自動消影處理等。在應(yīng)用功能調(diào)用時,一些命令就會被分配放置在一個命令區(qū)域,稱為“命令緩沖區(qū)”。景物光柵化之后被送入幀緩沖器之前還可以根據(jù)需要對像素數(shù)據(jù)進行操作,光柵階段根據(jù)圖形的顏色、幾何紋理數(shù)據(jù)等創(chuàng)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(jù)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(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)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(yīng)該具有的顏色與亮度,接著數(shù)據(jù)就會被輸入光柵化部分,再經(jīng)過創(chuàng)建彩色圖像的過程,圖像基本形成,被放入幀緩沖區(qū)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(diào)整顏色背景、光照、材質(zhì)的圖例

        依據(jù)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(zhì)、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(diào)整了顏色背景、光照、材質(zhì)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(zhuǎn)、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(shè)計,針對某一個點的坐標實施旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等,通過鼠標拖動,設(shè)計隨機與繞固定點、定軸旋轉(zhuǎn)等狀態(tài)。圖4、圖5、圖6、圖7是對物體的線框、圖像實施旋轉(zhuǎn)、坐標變換的實例圖。

        圖4 雨傘傘架結(jié)構(gòu)圖

        圖5 雨傘傘面線框圖

        圖6 傘面旋轉(zhuǎn)圖

        圖7 傘面坐標變化圖

        3 結(jié)語

        本文通過對雨傘各部分的建模和圖像繪制從而實現(xiàn)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(xiàn)階段圖形的繪制技術(shù)提供了一定的理論驗證與技術(shù)支持,而且在質(zhì)量和效率上也有比較大的突破,顯示出了圖形繪制技術(shù)方面的優(yōu)越性,對后續(xù)三維圖形圖像的研究與應(yīng)用具有基礎(chǔ)性的作用。

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