OpenGL三维场景模型的建立与实现

1.1
研究背景
近些年来，随着真实感计算机的快速发展，图形显示技术和硬件的快速发展，
为人们将现实世界中的场景用计算机真实的描绘出来提供了很大的方便和可能性。 并且在各个领域中，对计算机图形技术的要求不断提高，这些要求已经不再局限于 生成静止的平面图形。随着计算机仿真、虚拟现实[1,2]、三维游戏的发展，三维场景 的创建和实时渲染变的越来越重要了。 随着信息时代的到来,三维真实场景模拟现实的技术由于其特有的多维信息处理 能力和形象化而备受人们的关注，因而得到迅速的发展。简单的说,三维场景建模是 这样一种技术，它探讨如何实现人与计算机之间理想的交互[3,4]。从本质上说,三维虚 拟场景给用户同时提供视、听、触等各种直观而自然的实时感和交互手段,最大限度 使用户的操作变的方便,进而减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率。 目前,该技术 已被用于科学可视化、教育和培训、土木工程、军事、医疗、娱乐等各个方面。 建模技术是虚拟现实技术中最重要的技术之一、它是三维图形技术的一种，也 是其发展的关键技术。建模技术是一项综合技术，它涉及多个学科的，包括计算机 图形学、人工智能、人机交互等，它的目的是通过计算机生成一个逼真的三维世界， 并且来将该虚拟世界呈现给观众，使观众好像在真实世界里一样。由于建模技术、 分布式视算[5]、仿真技术和三维游戏的发展，需要在 Internet 或 Intranet 环境下进入 同一视算环境、虚拟环境、游戏环境、仿真环境，通过协同对抗方式实现分布交互 任务[6]，它们的共同点是导致了对分布三维视景的需要；同时，它们对虚拟场景的实 时渲染、真实感程度也提出了更高的要求。 三维场景的的建立与实现运用了很多综合技术，想要实现实时交互和非常逼真
[8]
。英国 Bristol 公司指出，虚拟现实应用的交点是在整体综合
技术上，他们在硬件和软件的某些方面处于非常领先地位。英国 ARRL 公司研究了 虚拟现实重构问题，其产品还包括建筑和可视化计算。 在欧洲，还有一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等对虚拟现实的研究与 应用进行了积极的研究。 瑞典研究了 DIVE 分布式虚拟交互环境，它是一个基于 Unix 操作系统的异质分 布式系统[9]，允许不同节点上的很多个进程同一世界中工作。 荷兰 TNO 研究所开发了一套训练模拟系统[10]， 通过改进人机界面使用户完全介 入模拟环境，增强现有模拟系统的真实感。 德国在这方面的应用方面也取得了很大的成果。在改造传统产业方面，一是用 于缩减成本和降低新产品开发的风险；二是用于产品演示，吸引客户和争取定单； 三是用于培训，在提高工人对新生产设备的操作水平。 2008 年 10 月 27-29 日在法国举行的 ACM Symposi- umon Virtual Reality Software
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and Technoogy 大会，整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。 日本的虚拟现实技术的发展也具有举足轻重的地位，在世界相关领域的研究中 做出了非常大的贡献，它在虚拟现实的游戏和虚拟现实知识库的建立方面处于领先 地位。 东京技术学院精密和智能实验室开发了一个人性化界面，用于建立三维模型， SpmAR NEC 公司开发了一种处理 CAD 中的三维形体模型虚拟现实系统，用代用手 来辅助 CAD 来进行处理。模型的处理与操作者的手通过数据手套把联系起来；日本 国际工业和商业部也开发了一种受力反馈装置，它是采用 X、Y 记录器来进行工作 的。东京大学的高级科学研究中心则主要进行的研究是在远程控制方面，他们最近 的研究项目是一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统，它是通过使用户控制远 程摄像系统来进行控制的。 东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题[11]。 他们正在开发一种用于克服当前显示和交互技术的局限性的全息系统， 。日本奈良尖 端技术研究生院的一个研究小组开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果 放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研 究领域的一项突破。 我国的虚拟现实技术和一些发达国家相比还有很大的一段距离，由于计算机系 统工程和图形学技术的快速发展，现在已经非常的重视虚拟显示技术，这也引起了 我国各界人士的关注，研究与应用虚拟现实三维场景技术，建立虚拟场景模型，虚 拟现实场景建模系统的开发正在蓬勃发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技 术的研究列为重点攻关项目。同时，许多高校和研究机构也在进行虚拟现实的研究 和应用并获得了非常不错的研究成果。 伴随着虚拟现实三维场景建模技术在城市规划和军事方面应用的越来越深入， 在建模方法、系统构建方法和交互方式方面，都提出来更高的需求。为了满足这些 新的要求，这些年来，虚拟现实相关技术研究遵循“高性能、低成本”的原则而取得 了高速的发展，出现了一些新的特点和发展趋势[12]。主要表现在以下方面： （1）动态环境建模技术 虚拟现实技术的核心内容是建立起虚拟环境，获取实际环境的三维数据是动态
方法。三维场景技术的产生与发展也与此一样，纵观国内外虚拟现实三维场景建模 技术，主要有三个方面的研究：第一，实现对虚拟世界的观察界面；第二，建立实 时的三维视觉效果；第三，强科学计算技术等方面的应用。 虚拟现实三维场景建模技术研究的发源地是在美国，这项技术可以回溯到上个 世纪 40 年代。当时主要的研究应用美国军方对飞行员和宇航员进行的模拟训练。冷 战后结束后，由于美国军费的削减，这些技术慢慢的变为民用，当前在该领域的基 础研究美国将其主要放在硬件、用户界面、后台软件等几个方面。 在欧洲，英国在虚拟现实开发的某些方面是领头者，尤其是在分布处理、应用 研究和辅助设备设计
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
华中科技大学 硕士学位论文 OpenGL三维场景模型的建立与实现 姓名：张锐 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：万琳 2010-01-16
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摘 要
由于分布视算、虚拟现实、仿真技术和三维电子游戏的快速发展,使用协同对抗 方式实现交互任务的方式导致了对三维场景建模的发展，与此同时，也对虚拟场景 的建立与实现提出了更高的需求。 伴随着虚拟场景技术的提高，对三维场景建模技术及真实感的渲染及实时性的 要求作了一些探索 , 在建模方面 : 使用基于 OpenGL 的建模技术 , 采用建立几何实 体,constructive solid geometry 实现三维物体模型的实体构造,在基于对数据完备性、 高 效操作性、数据冗余性、和可扩充性等各方面的综合考虑,采用了经过优化的数据结 构,提高了整体系统的性能。主要研究了三维场景模型的建立与实现，分析了其实时 渲染方法，包括以下几个方面的主要内容:地形模型的生成、地形的改造、三维地物 对象的实时渲染技术。 通过使用关键技术 OpenGL，实现三维场景模型的框架以及人机交互设计，采用 贴图按钮方便用户直观的增加或者删除地物对象以及改天换地，对于其他三维对象 的输入，主要通过导入 3DS 文件对象进行输入，最后介绍了场景的渲染技术以及采 用 Billboard 公告板技术实现同类对象的大量显示。 关键词：OpenGL 三维对象 实时渲染
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Abstract
With the development of virtual reality technology, distributing vision calculating, distributing emulator and network 3d game, it is need of 3d scenery in the manner of cooperation and antagonizing. At the same time, it needs the technology of virtual scenery more perfect. For the development of the virtual scene.This article explores much about aiming at 3D scenery of constructing model and romance of 3D and real time. In the way of constructing model: using the technology of graph based OpenGL, introducing CSG finishing the construct of entity 3D model. Based on data completeness, data redundancy, operational efficiency, and scalability considerations, using an optimized data structure, to improve the system's overall performance.This atrical mainly discussed the method of 3d scenery of constructing model and romance of 3D and real time. The content related to the following aspects: the models generation terrain, topography of the transformation, 3D features of the real-time rendering methods. Use the key technologies of OpenGL, to achieve the framework of three-dimensional scene model, as well as human-computer interaction design, user-friendly and intuitive use of texture buttons increase or remove features in objects and change the world, for the input of other three-dimensional objects, the main achievement of the 3DS file object input, Finally the scene rendering techniques and the use of technology to achieve Billboard bulletin board display a large number of similar objects. Key words：OpenGL Three-dimensional object Real-Time Rendering
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绪论
本章根据三维场景建模的重要性，结合国内外场景建模技术的发展现状，比较 国内外三维场景建模的发展水平，点明了该课题研究的重要意义，最后对全文框架 进行了概括。
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的视觉效果是相当困难的，它不仅依赖于高性能的硬件来完成，更加依赖的是虚拟 场景的构建、交互以及显示等技术的不断改进[7]。所以，研究三维场景的建立以及实 现就显得很有必要了。
1.2
国内外现状
计算机的发展提供了一种分析工具和计算工具，并且产生了许多解决问题的新
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