基于OpenGL的三维场景建模

ISSN 1009-3044Computer Knowledge and TechnologyV ol.5 No.9, March 2009电脑知识与技术基于OpenGL的三维场景建模陈贵彬（四川航天职业技术学院 计算机科学系，四川 广汉 618300）摘要：近年来，随着计算机图形学和计算机技术的发展，计算机可视化技术的不断普及，创建“虚拟世界”也不断掀起热潮，而建立具有真实感的三维场景是建设“虚拟世界”的重要一步。

本文主要介绍了使用OpenGL实现三维场景的程序框架，以及在开发过程中的关键问题和解决方案。

关键词：可视化；OpenGL；三维建模中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)09-2279-023D Scenery Modelling Based on OpenGLCHEN Gui-bin(Department of Computer Science, Sichuan Aerospace Vocational & Technical College, Guanghan 618300, China)Abstract: With the development of computer graphics and computer technology as well as the populization of compute visualization in recent years, there have been continuously calls for creating a "virtual world", while the first important step to construct a "virtual world" is to set up a 3DM Scene of reality. This thesis mainly introduces a program framework of realizing the 3DM Scene using OpenGL, key problems come across in development and their solutions.Key words: Visualization; OpenGL; M-3DM1 该设计所要解决的问题OpenGL是公认的高性能图形和交互式视景处理标准。

更值得一提的是，Microsoft公司在Windows NT中提供了OpenGL图形标准，以及OpenGL三维图形加速卡和微机图形工作站的推出，使得OpenGL在微机中得以广泛应用，因此，很有必要学习OpenGL，以便在微机上更方便地建立三维图形世界。

该设计围绕OpenGL建立了一个雪花飘落的场景，并通过设置风向、风力、能见度增加真实感。

通过实现该场景，掌握了OpenGL基本程序框架的一般搭建，对其中用到的各种OpenGL技术有了一个更深刻的认识，了解了三维仿真建模场景的构造和管理。

2 程序的基本结构2.1 在VC中设置OpenGL程序的编译环境该设计基于Windows NT操作系统平台，选用VC++ 6.0开发工具，工程类型是Win32 Console Application。

编写程序前需要链接OpenGL库。

OpenGL库函数主要分布在glu32.lib、glut32.lib和opengl32.lib中。

Windows NT操作系统中带有opengl32.dll和glu32.dll，VC++ 6.0中也包含了opengl32.lib和glu32.lib。

此外，还需要添加glut库。

本设计使用glut-3.7.6-bin版本。

压缩包中有5个文件（如图1所示）。

将glut32.lib放在VC98安装目录下的静态函数库文件夹lib中，glut.h放在该目录下的Include\GL文件夹中，glut32.dll放在操作系统的system32文件夹中。

然后在VC中新建一个基于Win32 Console Application的工程，在Project→Settings→LINK标签→“Object/Library Modules”选项中添加opengl32.lib、glu32.lib和glut32.lib。

此外，还要在代码中添加使用的每个库文件的头文件。

如下所示：#include <windows.h> //Windows的头文件#include <GL\glut.h> //glut32库的头文件由于glut.h文件中已经包含了gl.h（opengl32库头文件）和glu.h（glu32库头文件），因此可以仅声明glut.h头文件。

2.2 OpenGL程序的基本结构本程序的基本结构可分为四个部分：第一部分是初始化，包括创建窗口，设置OpenGL的一些状态变量。

第二部分是设置观察坐标系下的取景模式和取景框位置及大小。

第三部分是建立物体模型，即使用OpenGL库函数构造几何物体对象的数学描述。

第四部分是对物体和场景的效果变换。

3 关键技术及解决方案3.1 动画效果为实现雪花飘落的动画效果，程序中应当使用双缓冲绘图模式：glutInitDisplayMode(GL_DOUBLE)此外，还要在场景绘制函数中调用glutSwapBuffers()函数。

图1 glut-3.7.6-bin库文件收稿日期：2009-02-18作者简介：陈贵彬（1981-），男，硕士，研究方向：计算机应用。

3.2 投影变换本系统采用透视投影。

透视投影定义的视域体是一个平截头体，它符合人们看物体时“近大远小”的原则，增强了三维图形的现实感。

透视投影常用于动画、视觉仿真以及强调真实性的方面。

其函数原型为：void gluPerspective(GLdouble fovy，GLdouble aspect，GLdouble zNear，GLdouble zFar)3.3 绘制地面本设计中，绘制地面实际上就是在y＝-5.0f平面上绘制一个正方形。

绘制多边形时，要注意绘制方向。

默认情况下，逆时针绘制的多边形为正面。

3.4 构造雪花本设计使用结构体定义雪花：typedef struct Snowflake{ unsigned char r,g,b;float x,y,z;float radius;}Snowflake;Snowflake sf[MAX_NUM];r,g,b表示雪花颜色的R、G、B成分，x,y,z定义雪花在三维坐标系中的初始位置，radius是雪花的半径，这些值都是随机产生的。

第i片雪花的各个属性值为：sf[i].r=rand()%256;sf[i].g=rand()%256;sf[i].b=rand()%256;sf[i].x=(GLfloat)(rand()%400-200)*0.1f;sf[i].y=(GLfloat)(rand()%400-200)*0.1f;sf[i].z=(GLfloat)(rand()%400-200)*0.1f;sf[i].radius=(GLfloat)(rand()%MAX_RADIUS)*0.1f;MAX_NUM和MAX_RADIUS都是宏定义，分别表示雪花的最大数量和最大半径。

从雪花结构体定义可知，雪花的颜色成分r、g、b 是unsigned char型，取值范围是0～255。

这样做是因为取整数的随机值比取浮点数的随机值更容易。

同时，颜色设置函数改用glColor3ub。

给每片雪花的属性赋值后，就可以绘制雪花了。

雪花是采用绘制线段图元的方式创建的。

glBegin(GL_LINES);{ for (angle=0.0f;angle<GL_PI;angle+=(GL_PI/3.0f)){ glColor3ub(sf[i].r,sf[i].g,sf[i].b);x=sf[i].radius*sin(angle);y=sf[i].radius*cos(angle);glVertex3f(x,y,sf[i].z);x=sf[i].radius*sin(angle+GL_PI);y=sf[i].radius*cos(angle+GL_PI);glVertex3f(x,y,sf[i].z);} }glEnd();3.5 菜单GLUT提供了事件驱动输入方式，如鼠标事件、键盘事件和菜单管理。

在这里选择菜单管理实现人机交互。

在窗口内单击鼠标右键，弹出一个快捷菜单。

该快捷菜单包含一个主菜单，主菜单有3个子菜单，表示可以从风向、风力和能见度三个方面更新场景。

每个子菜单又有若干菜单项，菜单结构如图2所示。

生成主菜单后，要使用glutAttachMenu（GLUT_RIGHT_BUTTON），它把当前窗口的鼠标右键与主菜单的标识符关联起来。

也可以设置为GLUT_LEFT_BUTTON或GLUT_MIDDLE_BUTTON，即鼠标左键或中键。

3.6 雪花移动雪花在屏幕中移动是通过设置风向和风力大小实现的。

SetWind函数用来设置风向。

变量xspeed、yspeed和zspeed，存储雪花在各种情况下沿x轴、y轴和z轴的移动速度。

选择菜单项“无风”和初始情况下的状态是一样的，雪花仅沿y轴自上而下滑落，所以三个变量赋值为：float xspeed=0.0f,yspeed=-0.1f,zspeed=0.0f;将它们定义为浮点类型变量，有利于精确地控制对象的移动速度。

该设计仅考虑了东、南、西、北四个风向，它们与坐标轴的对应关系如图3所示。

“东风”表示风来自x轴正方向，吹向x轴负方向，因此雪花除了沿y轴向下移动之外，还要往x轴负方向移动，则要把xspeed赋值为-1.0f。

如果是“西风”，则把xspeed赋值为1.0f，它表示雪花向x轴正方向移动。

“北风”表示雪花从z轴负方向往z轴正方向移动，所以zspeed置为1.0f，它给人的感觉就好像是雪花从计算机屏幕里出来一样。

“南风”恰好相反，因此zspeed应置为-1.0f。

SetPower函数设置风力大小，初始无风时，风力power=1.0f。

雪花沿x、y、z轴的最终移动速度是它在各个方向的移动速度和风力的乘积。

风力分为四级，1级代表无风，power置为1.0f，则雪花沿x、y、z轴的最终移动速度不受影响；当风力增大到2级、3级或4级时，雪花的移动速度也增大为无风时的1.2、1.5或1.8倍。

如果雪花移动时间足够长，那么雪花可能已经位于视域体之外了。

因此要适时比较雪花当前位置和视域体边界的大小关系。

若判断出雪花在视域体外，则要重新给该片雪花的属性赋值。