蕙麓 — Sat, 09 Jun 2012 08:27:00 GMT

文章来自�Q?a >http://www.c-cnc.com/dz/news/news.asp?id=18622
在进�?D场景渲染�Ӟ��天空是必不可��的因素。对�?D天空的模拟在视景仿真�pȝ��、计��机游戏、三�l�动��M��有着�q�泛的应用。但是，目前对于天空的仿真还存在很多不��Q�一些模拟方法中存在实现复杂、计��耗时、图像分辨力不高�Q�真实感不强且只能生成静态图像等问题。本文在研究了前��Z��真天�I�算法的基础上，利用目前3D囑�Ş行业中流行的OpenGL技术和有被誉�ؓ"大自然的几何�?��称的分形理论，提出了一�U�更加简单实用的仿真3D天空的方法，可以仿真出具有动态效果和不同天气�?D天空�Q�绘刉��度快，真实感强�?/p>

l构造天�I�模�?/p>

1�Q? OpenGL技术��E1.2�Q?/p>

OpenGL作�ؓ一套图形标准，由数百个功能函数�l�成�Q�提供了讉K��囑�Ş��g的所有特性，其严格按照计��机囑�Ş学原理设计而成�Q�符合光学和视觉的原理，非常适合可视化仿真系。其优势在于�Q�首先，在OpenGL中，允许视景对象用图形方式表达；其次�Q�OpenGL通过光照处理能表辑և�物体的三�l�特性，其光照模型是整体光照模型。可视化仿真囑փ�的颜色体现着物体与视点以及光源之间的�I�间位置关系�Q�具有很强的三维效果。此外，为��I补图形方法难于生成复杂自然背景的不��Q�OpenGL提供了对囑փ�数据的��用方法，即直接对囑փ�数据诅R��写和拷贝，或者把囑փ�数据定义为纹理与囑�Ş�Ҏ(gu��)��l�合在一��L��成视景图像以增强效果。本文研�I�了��Z��OpenGL技术的3D天空仿真�Q��得算法易于实玎ͼ��q�且有很好的可视化效果�?/p>

1�Q? 传统模型

在传�l�的3D游戏中，对于天空的仿真，�E�序员往往从实时简单的角度出发�Q�采用非常简化的天空模型�Q�通常包括以下3�U�方法��E3-5�Q�：用一�U�接�q�天�I�的淡蓝色来清除背景�Q�采用天�I�盒(skyBox)的方法：即首先绘制一个多边�Ş�Q�然后进行立方体�U�理贴图�Q�八��锥天空模型�Q�定义一个天��Ӟ��以这个顶点�ؓ中心�l�制一圈三角�Ş扇，然后�q�行�U�理映射�?/p>

�q?�U�方法都具备了实时性，�Ҏ(gu��)��单的优点�Q�但同时也存在明昄��不��Q�第一�U�方法绘制的天空效果看�v来太�q�面化，��单粗�p�，��D��度不高。第二种�Ҏ(gu��)��对纹理的要求非常高，如果�U�理使用得不好，在一个比较大的多边�Ş上的�U�理��容易��生拉伸变形的副作用。此外，雑֌�讄��也会产生问题�Q�如果雾的设�|�靠�q�观察点�Q�则天空的颜色会变��E甚至没有。第三种�Ҏ(gu��)��有明昄��天顶�?/p>

昄��Q�在如今�q�种�?D场景仿真要求��来��高的时代，�q�些�Ҏ(gu��)��已经不适应时代的要求，需要寻求一�U�渲染速度快，真实感强�Q�有一定交互能力的3D天空模型�?/p>

1�Q? 半球型天�I�模�?/p>

地球是球型的�Q�所以天�I�像半个球一��L��|�在大地之上。在用计��机仿真3D天空�Ӟ��半球型天�I�模型显然符合真实世界的天空模型。利用数学中的球面方�E�，可以建立如下模型�Q?br />

P是球面上一点，R为球的半径。在球面坐标�p�M��方程改写为：

对于一个半球．φ为纬度，其变化范围是O≤φ≤90°�Q?#952;为经度，其变化范围是O≤θ≤360°。采用球�?DOme)的方法，比�v采用盒子(BOx)的方法，有很多优炏V��首先由于球形方法绘制的天空��h��更多的顶点，雑֌�效果可以�l�制得更加均匀�Q?�Q�。同时也可以实时改变单个��点的颜�Ԍ��q�样可以获得一些非常好的效果，如一天不同时�ȝ��太阳光�?/p>

半球型天�I�模型也存在不��Q?br />
(1)��点数目�q�多�Q�媄响渲染速度�?br />

N为所需要绘制的��点��L��Q?#9651;φ�Q?#9651;θ为绘制球型天��的��点�l�纬度间隔，��D��、网��D��密，�l�制��精�l�。由于采用OpenG技术中的三角�Ş带绘�?GL-TRIANGLE一STRIP)�Q�每�ơ绘�?个顶点，每个��点被绘�?�ơ，故需要乘�?�?/p>

(2)三角函数的运��过多�?/p>

在单一场景的渲染中不会影响渲染速度�Q�但在复杂的3D场景中，渲染速度的劣势会体现出来。因为在计算��Z��三角函数的运��较之加、减、乘、除�{�运��要慢的多�?/p>

1�Q? 曲面天空模型

��Z��持球型天�I�模型的优势�q��I补该��法的不��I��本文研究了一�U�渲染速度更快的曲面天�I�模型，该模型如�?所�C��?br />

该模型类��g��一个经�q�细分的�q�面�?个角点向下拉�Q��Ş状看上去像一个撑开的降落伞�Q�将他罩在场景之上，可以模拟3D天空。曲面的长度为S为：

��点坐标(x,y,z)的计��公式�ؓ�Q?/p>

其中△s为曲面细分间隔；j�Q�i为��@环参数�?/p>

曲面天空模型仍然可以用OpenGL技术中的三角�Ş�?(GLTRIANGLE_STRIP)�l�制�Q�但他避免了三角函数的运��，且顶�Ҏ(gu��)��目比相同�_�ֺ�的球型天�I�模型少�Q�故增加了渲染速度�?/p>

2 天空云图

2�Q? 分�Ş云图

分�Ş�Q?�Q�方法徏造的物体模型�l�构�_��、算法控制相对简单，适合于描�l�云、树�{�结构精�l�的物体。本文利用分形理��Z��的插值算法��生静态天�I�Z��囄��理，��法如下�Q?/p>

(1)在��^面上划分正方形网格n×n�Q�随机给A1�Q�A2�Q�A3�Q�A4�q?个角点的颜色。如�?所�C��?/p>

(2)计算中点��|��B1�Q?A1+A2+A3+A4)×0�Q?5+ξ×scale�Q�其�?#958;是一个随机量�Q�Scale一(1�Q?)H(标度)H即Hurst指数�Q�他也是分�Ş�l�数D的度量：D一2一H�Q�如�?所�C��?br />

(3)�Ҏ(gu��)��A1�Q�A4�Q�B1点和�|�格外一虚拟点，重复�W?2)节，得到边中点c1的颜色倹{��同理，可计��出C2�Q�C3�Q�C4边中点的颜色倹{�?/p>

(4)递归步骤(2)�Q?3)�Q��其正方�Ş�|�格不断�l�化�Q�直到达到预期的递归深度�?/p>

以上步骤中，正方形初始点的颜色是随机赋予的，但正方�Ş�|�格内的所有点不是随机分布的。通过采用分�Ş插值算法，使得�|�格内相�?c��)��之间建立了某�U�联�p�，从而��生成体内部过渡得更加自然。这��P��通过分�Ş插值算法，得到一�?�l�数�l�，��数�l�中的每一个元素值看成是云的不透明度数据。最��数�l��g��表最蓝色�Q�天�I�Z��云最��的部分�Q�最大的��g��表最白色�Q�天�I�Z��云最重的部分。分析数�l��ƈ生成蓝天白云�U�理囑֦��?所�C��?br />

2�Q? �U�理映射

�U�理映射技术��E1.2�Q�也叫纹理脓(chu��ng)图技�?Texture Map-ping)�Q�与建造模型的�Ҏ(gu��)��相比�Q�在摸拟物体表面�l�节斚w��Q�纹理映��是一个较有效的方法。景物表面纹理细节的模拟在真实感囑�Ş合成技术中��L��非常重要的作用，�q�种��景物表面纹理细节的模拟�U�Cؓ�U�理映射技术。现在，�U�理映射已经成�ؓ三维囑�Ş世界中最为常用的技术之一�Q�其数学�q�程十分复杂�Q�但OpenGL已对其进行处理，于是�~�程者可以利用几个函数就可以完成�U�理贴图�?/p>

执行�U�理贴图的步骤可以概括�ؓ�Q�定义纹理脓(chu��ng)图；控制�U�理�Q�说明纹理脓(chu��ng)图方式；�Ȁ�zȝ��理映��；定义�U�理坐标�{�。在一个球面上�q�行�U�理映射是比较复杂的�Q�采用不同的映射方式��生不同的问题。如果采用��^面映��的方式��在�q�箋处��生纹理拉伸现象，如果采用球面映射�Q�最大的问题是在球面的极点��生纹理的聚集现象�Q�对于好的纹理，�q�种现象可以�~�减到最��。根据球面几何知识，可以得到�U�理坐标的具体计��公式：

加上1�Q?的原因是��Z��使U�Q�V坐标的值处�?0�Q?�Q?�Q?)范围内�?/p>

3 动态仿�?/p>

本文采用定时器技术和改变�U�理矩阵坐标的方法实��C��的流动效果。首先定义一�?00 ms的定时器�Q�每�?00ms�U�理坐标改变一�ơ。其�ơ，使用多重�U�理来添加一个单独的云彩贴图�Q�通过变换�U�理矩阵坐标实现��动。变换纹理坐标的�Ҏ(gu��)��是先��当前矩�늱�型设�|��ؓ�U�理矩阵(GL-TEXTURE)�Q�然后调用glTranslate()�Q�glRotate()和glScale()函数实现坐标的��^�U�R��旋转和�~�放。这��P��云就可以�~�慢地在天空中移动。此外，通过��d��按键响应函数�Q�在函数体中利用()penGL的模型变换函敎ͼ�如glRotate()�Q�可以以��L��角度旋�{3D天空�Q�达到用户与3D场景的交互的效果�?/p>

4仿真�l�果

本仿真实验在CPU为P4�Q�主频�ؓ1�Q? GHz�Q�内存�ؓ256 M�Q�集成显卡上完成。仿真结果如�?～图8所�C�。天�I�Z��的云彩可以沿球�Ş天空�~�慢�U�d��Q�客户可以通过上下左右键旋�?D天空。该模型在实�?D场景仿真中可以笼�|�在场景之上�Q�有很好�?D效果�Q��ƈ且真实感强。采用半球型天空模型的��速率�?50�?85 f/s�Q�采用曲面型天空模型的��速率�?24�?40 f�Q�s�Q�在保证真实感和交互性的前提下，从渲染速度上看曲面天空模型优于半球型天�I�模型�?br />

5 �l?�?/p>

本仿真系�l�的软�g�q�_��为VC++6�Q�O�Q�通过OpenGL囑�Ş库函数实现可视化仿真。利用球形方�E�、��^面方�E�、三角函数等几何原理建立各种3D天空模型�Q�运用分形理��Z��的插值算法编写天�I�纹理，�q��过OpenGL函数�q�行三角形带�l�制天空框架�Q�纹理映��技术，映射出具有真实效果的3D天空。从仿真�l�果来看�Q�真实感强，实时性好�Q�此外，通过按键响应函数�Q�可以以��L��角度旋�{�Q��Q意高度升�?D天空�Q�交互性强�Q�非帔R��合3D游戏的户外场景仿真�?/p>

蕙麓 2012-06-09 16:27 发表评论

OpenGL�E�序框架

蕙麓 — Tue, 22 May 2012 03:54:00 GMT

摘要: OpenGL.h,OpenGL.cpp主要是图形处理相关的操作。main.cpp�ȝ��?nbsp;OpenGL.h: interface for the OpenGL class. 2 // 3 /////////////////////////////////////////////////////////... 阅读全文

蕙麓 2012-05-22 11:54 发表评论

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