基于OpenGL的城市三维模型可视化研究

第３３卷第１期　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．１　・３５８・　２　０　０　７年１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ　兀瓜Ｅ　Ｊａｎ．２００７　・计算机技术与应用・　文章编号：１００９—６８２５｛２００７｝０１—０３５８－０２　基于ＯｐｅｎＧＬ的城市三维模型可视化研究　岳朝瑞　摘要：在介绍基于Ｏｗ￣ＧＬ的三维景观显示原理和关键技术的基础上，对地形、地物的可视化进行‘了分析，研究了对三　维场景实时目标选取的方法和技术。　关键词：可视化，三维模型，Ｏｗ￣ＧＬ　中图分类号：ＴＰ３１９　文献标识码：Ａ　１　ＯＶｅｎＧＬ的工作流程及三维图像生成原理　现实与虚拟现实的结合。三维景观模型进行可视化的过程，涉及　ＯｐｅｎＧＬ的工作流程图如图１所图。　大量的诸如坐标变换、法向量、反走样、光照、材质、纹理映射等图　形编程细节。下面仅就三维场景的纹理映射、动态漫游和交互操　作的有关技术和实现做一探讨。　２．１　纹理映射　为了能够真实地表现景观特征，必须进行纹理映射。纹理映　射的基本思路是把纹理影像“贴”到由几何数据所构成的三维表　面。纹理映射的关键是实现纹理与几何多边形顶点的三维空间　坐标数据之间的正确对应。纹理贴图的数学过程是十分复杂的，　但Ｏｗ￣ＧＬ已对其进行了处理，使编程者可以利用几个函数就可　以完成纹理贴图。执行纹理贴图的步骤可以概括为：定义纹理贴　图１　Ｏ０ｅｎＧＬ的工作流程图　图，控制纹理，说明纹理贴图方式，定义纹理坐标与几何坐标等。　基于ＯｐｅｎＧＬ构造城市三维景观模拟场景的基本步骤如下：　具体实现如下：　１）数据准备与预处理。用于构造物体三维景观的数据包括　１）定义纹理：纹理可以是一维的也可以是二维的。在图像处　几何数据和纹理数据。几何数据预处理包括ＤＥＭ数据的改正、　理中，常常采用的是二维纹理。函数ｇｌＴｅｘｌｍａｇｅ２Ｄ（）定义二维纹　建筑物几何数据的检测等。纹理数据预处理包括影像质量改善、　理贴图，该函数说明所映射的纹理内容，其中包括纹理数据的指　纹理图像格式转化等。　针、纹理的大小、纹理的类别（灰度或彩色）等。　２）设置像素格式。无论进入ＯｐｅｎＧＬ的是何种数据，ＯｐｅｎＧＬ　２）控制纹理：说明纹理图像的纹理以何种方式映射到三维模　最终都将进行像素操作，即把像素写到帧存上去。像素格式告诉　型表面上。ＯｐｅｎＧＬ通过ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｔｅｒ（）函数来解决这种映射　ＯｐｅｎＧＬ如何操纵这些像素，如绘制风格、颜色模式、颜色数据的　问题，ＯｐｅｎＧＬ提供了多种映射方式，其中包括纹理滤波、重复与　位数、深度缓存的位数、模板缓存的位数、掩膜的可见性等信息的　缩限等。　设置。　３）说明纹理贴图方式：在进行纹理贴图时，纹理图像可以直　接贴到物体上，从而覆盖原来的颜色，也可以和物体的原有颜色　３）建立模型。根据基本图元（ＯｐｅｎＧＬ中把点、线、多边形、图　像和位图都作为基本的图形单元）建立景观的三维模型，并对所　进行融合。融合是一种重要的图像处理技术，主要用于透明纹理　处理。ＯｐｅｎＧＬ用于纹理贴图方式的函数为ｇｌＴｅｘＥｎｖ（）。　建立的模型进行数学描述。　４）舞台处理。把景观模型放在三维空间中合适的位置，设置　’４）定义三维模型顶点的纹理坐标与几何坐标，绘制场景：几　何坐标决定了顶点在屏幕上的绘制位置，纹理坐标决定纹理图像　三维透视体以观察场景。　中哪一个纹素（纹理图像的像素）赋予该顶点，其调用函数为　—　５）效果处理。赋予物体模型材质（颜色、光照及纹理等），以　增强场景的真实感。　ＴｅｘＣｏ３ｒｄ（）。　通过三维模型的构造和真实纹理映射，再经过投影变换、视　６）光栅化。把景物模型的数学描述及其材质信息转换至计　觉变换等操作后就能够获得十分逼真的三维景观模型。　算机屏幕上的像素信息。　２．２三维场景中物体的选择与拾取　２基于ＯｐｅｎＧＬ的三维景观模型显示　应用ＯｐｅｎＧＬ不仅可以控制物体的绘制，还可以对物体进行　城市三维景观系统要求通过视觉变换，可以建立自己的视　标记以区分在指定区域上绘制了哪些物体以及返回绘图信息。　点，指定观察方向、角度及观察范围的大小，通过模型变换，可以　绘制物体是在ＯｐｅｎＧＬ缺省的绘图模式下进行的，而标记物体和　从不同侧面观察三维景观，进行漫游，还希望能够实时地查询到　反馈信息则分别在选择模式和反馈模式下完成。绘图模式、选择　自己感兴趣的区域或某一特定目标的详细信息，如房屋属性等。　模式和反馈模式构成了ＯｐｅｎＧＬ开发三维图形应用程序的基础。　此外，在城市三维场景观中，还可以进行参数化设计，例如将规划　１）选择物体。选择物体事实上是响应ＯｐｅｎＧＬ应用程序的　区中的旧房移去，按给定的参数构建出新的建筑，实现可视真实　一个拾取事件，该事件通常是由鼠标来触发的。为此，应用程序　收稿１３１￣：２００６—０９—２７　　．作者简介：岳朝瑞（１９８０一），男，昆明理工大学地图制图学与地理信息工程专业硕士研究生，云南昆明６５００９３　维普资讯 http://www.cqvip.com

２　第３３卷第１期　０　０　７年１月　岳朝瑞：基于ＯｐｅｎＧＬ的城市三维模型可视化研究　・３５９・　必须建立物体的名称，并将名称加以组织。然后当发生拾取事件　息。生成一个记录表示一个物体被命中。一个命中记录由以下　时，就对其进行响应。当拾取一个物体后，就以记录的形式组织　几项组成：　相关信息并返回给应用程序。　ａ．名称堆栈中名称的个数；　要使用ＯｐｅｎＧＬ的选择机制，首先要在帧缓冲区中绘图，再　ｂ．被命中物体位于视景体内的部分几何顶点的最大和最小　进入选择模式，重新绘制场景。在选择机制下，不会改变帧缓冲　窗口坐标的深度值；　区中的内容，退出这个模式时，ＯｐｅｎＧＬ返回与取景体积相交的几　ｃ．名称堆栈中名称的内容，其顺序是按进入名称堆栈的顺序　何要素列表，即选中了这些几何要素。实际上，这些几何要素是　排列。　以整数数组名称和与当前名称堆栈相应的选中记录的形式返回。　此外，ＯｐｅｎＧＬ的应用函数库定义了两个函数ｇｌｕＵｎＰｒｏｊｅｃｔ（）　在选择模式下，绘制的几何要素被载入名称堆栈，返回名称列表　和ｇｌｕＰｍｊｅｃｔ（），前者把窗Ｉ：１坐标映射到物体坐标，后者把由前者　时，可以确定用户选中的几何要素。　获得的物体坐标映射到窗口坐标，这在交互应用中很重要。其函　使用选择机制的基本步骤概括如下：ａ．创建存储返回命中记　数说明如下：　录的数组，由ｇｌＳｅｌｅｃｔＢｕｆｆｅｒ（）函数来实现；ｂ．进入选择模式，由　ｉｎｔ　ｇｌｕＵｎＰｍｊｅｃｔ（ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｗｉｎｘ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｗｉｎｙ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｇｌＲｅｎｄｅｒＭｏｄｅ（ＧＬ—ｓＥＬＥｃＴ）函数来决定；Ｃ．初始化名称堆栈；ｄ．　ｗｉｎｚ，　定义用于选择模式的视景体，拾取区域；ｅ．建立名称堆栈；ｆ．退出　．　ｃｏｎｓｔ　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｍｏｄｄＭａｔｒｉｘ［１６］，　选择模式。　ｃｏｎｓｔ　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｐｍｊＭａｔｒｉｘ［１６］，　选择模式是由外部时间来触发的，当退出时就可以决定是否　ｃｏｎｓｔ　ＧＬｉｎｔ　ｖｉｅｗｐｏｒｔ［４］，　有物体被命中。　ＧＬｄｏｕｂｌｅ＊０ｂｊｘ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ＊ｏｂｊｙ，　其中，名称堆栈可以对物体进行命名，并通过名称堆栈建立　ＧＬｄｏｕｂｌｅ＊ｏｂｉｚ）：　物体的名称层次关系，以最终标记物体的各个组成部分。要建立　其中，　名称堆栈，首先应利用ｇｌｌｎｉｔＮａｍｅｓ（）函数初始化名称堆栈，即清　ｗｉｎｘ，ｗｉｎｙ，ｗｉｎｚ：要映射的窗口坐标，ｗｉｎｘ，ｗｌｎｙ可由鼠标从　除名称堆栈，然后将名称压入名称堆栈和弹出名称堆栈。在操作　屏幕获取，ｗｉｎｚ为深度初值，可以为０．０～１．０之间的任意浮点　名称堆栈时，还可以用指定的名称来替换堆栈顶层中的名称。这　值：　些操作命令有：ｇｌＰｕｓｈＮａｍｅ将名称推进栈；ｇｌＰｏｐＮａｍｅ将名称弹　ＭｏｄｅｌＭａｔｒｉｘ：模型取景矩阵；　出堆栈；ｇｌＬｏａｄＮａｍｅ用不同的名称替换最顶层堆栈的名称　—　ＰｒｏｊＭａｔｒｉｘ：投影矩阵；　ＰｎｓｈＮａｍｅ（）和ｇｌＬｏａｄＮａｍｅ（）函数以一个无符号整数为参数，这　Ｖｉｅｗｌｍｒｔ：视见区；　个整数就是物体的名称。可以用ｇｌＰｎｓｈＮａｍｅ（）／ｇｌＰｏｐＮａｍｅ（）函　０ｂｊｘ，Ｂｙ，０ｂｊｚ：计算后返回的物体坐标。　数对来建立多层次的名称堆栈。　ｉｎｔ　ｇｌｕＰｍｊｅｃｔ（ＧＬｄｏｕｂｌｅ　０ｂｊｘ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ　０ｂｊｙ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ　０ｂｊｚ，　２）拾取物体。拾取是选择处理的一种扩充，利用选择模式可　ｃｏｎｓｔ　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｎａｏｄｅｌＭａｔｒｉｘ［１６］，　确定是否拾取物体。拾取物体最重要的是要确定鼠标位置所在　ｃＯｎｓｔ　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｐｍｊＭａｔｒｉｘ［１６］，　位置是哪一个物体，这就需要定义一个有效的拾取区域。比如，　ｃｏｎｓｔ　ＧＬｉｎｔ　ｖｉｅｗｐｏｒｔ［４］，　鼠标热点周围的５个像素构成的区域为有效区时，则在此区域外　ＧＬｄｏｕｂｌｅ＊ｗｉｎｘ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ＊ｗｉｎｙ．ＧＬｄｏｕｂｌｅ　的物体就不会获得拾取机会。　＊ｗｉｎｚ）；　在ＯｐｅｎＧＬ中，拾取物体时利用拾取矩阵和投影变换，将绘　利用ｇｌｕＰｍｊｅｃｔ（）函数可以把由ｇｌｕＵｎＰｍｊｅｃｔ（）函数获得的物　图和拾取范围限制在鼠标热点的有效区域中，＿旦触发鼠标时间　体坐标ｏｂｊｘ，ｏｂｊｙ，ｏｂｊｚ映射到窗Ｉ：１坐标ｗｉｎｘ，ｗｉｎｙ，ｗｉｎｚ。　就进入选择模式并将其初始化，最后利用拾取矩阵拾取有效区的　通过拾取函数与这两个函数结合使用，只要在视图区中利用　物体。有效拾取区的定义由ｇｌｕＰｉｃｋＭａｔｒｉｘ（）函数来完成，其原型　鼠标移动或左键消息，获取任意模型点的二维坐标信息，再在空　为：　间坐标信息显示窗Ｉ：１加上其他消息便能实现所需目标查询的交　＇ｖｏｉｄ　ｇｌｕＰｉｃｋＭａｔｒｉｘ（Ｇｌｄｏｕｂｌｅ　ｘ，Ｇｌｄｏｕｂｌｅ　ｙ，ＧＩｄｏＬｉｂｌｅ　ｗｉｄｔｈ．　互操作。　Ｇｌｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｉｇｈｔ，Ｇｌｉｎｔ　ｖｉｅｗｐｏｒｔ［４］）；　参考文献：　其中，　［１］费广正．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ一６．０高级编程技术——０ｐｅｎＧＬ篇［Ｍ］．北　Ｘ，Ｙ参数为拾取区域的中心，通常就是鼠标热点的窗Ｉ＝１坐标；　京：中国铁道出版社．２０００．　ｗｉｄｔｈ，ｈｅｉｇｈｔ参数为拾取区域的宽度和高度；　［２］Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ａｂｏｕａｆ　Ｄｏｎｇ　Ｂａｍａｒｄ．３ＤＳｔｕｄｉｏ　ＭＡＸ３从入门到精通　ｖｉｅｗｐｏｒｔ参数是存储窗口大小信息的地址，可通过调用以下　［Ｍ］．希望图书创作室，译．北京：希望电子出版社，２０００．　函数得到：　［３］张秀山．虚拟现实技术及编程技巧［Ｍ］．长沙：国防科技大学　ｖｏｉｄ　ｇｌＧｅｔｌｍｅｇｅｒｖ（ＧＬ—ＶＩＥＷＦＯＲＴ，ＧＩｉｎｔ＊ｖｉｅｗｐｏｒｔ）；　出版社．１９９９．　一旦拾取成功，就以记录的形式返回与拾取物体相关的信　Ｏｐｐｉｄａｎ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ　ｍｏｄｅ　ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯｐｅｎＧＬ　ⅧＥ　Ｃｈａｏ－ｎｌｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｖｅａｌｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｋｅｙ　ｓｋｉｌｌｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ　ｓｉｇｈｔ，ｉｔ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｒｒａｉｎ　ａｎｄ　ｓ１ｌｒ．ｆａｃｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ．　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｔｅｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｓｋｉｌｌｓ　ｏｆ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄｂｊ∞ｔ　ｉｎ　ｔｒｈｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ　Ｓｃｅｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ　ｍｏｄｅ，ＯｐｅｎＧＬ