基于OpenGL水波模擬論文

1、 PAGE28 / NUMPAGES31論文題目： 基于OpenGL的水波動畫模擬系 別：_ _計算機系_ Wave simulation based on OpenGLCollege：Specialty and Grade：Number：Name： Advisor：Submitted time: May 7, 20目錄TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc31113 1.1 課題提出的背景 PAGEREF _Toc31113 3 HYPERLINK l _Toc2201 1.1.2 課題的意義 PAGEREF _Toc2201 3 HYPERLINK l _Toc2

2、9345 1.2 國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc29345 3 HYPERLINK l _Toc9490 1.2.1 四大類水波模擬的方法 PAGEREF _Toc9490 3 HYPERLINK l _Toc22933 1.2.2水波模擬面臨的困難 PAGEREF _Toc22933 4 HYPERLINK l _Toc16439 1.2.3 國水波動畫模擬相關(guān)研究 PAGEREF _Toc16439 4 HYPERLINK l _Toc2233 1.2.4 國外水波動畫模擬相關(guān)研究 PAGEREF _Toc2233 5 HYPERLINK l _Toc24366 第二章 基于Ope

3、nGLMFC建?；A(chǔ) PAGEREF _Toc24366 7 HYPERLINK l _Toc7252 2.3 OpenGL渲染管線 PAGEREF _Toc7252 8 HYPERLINK l _Toc29190 2.3.1 顯示列表 PAGEREF _Toc29190 8 HYPERLINK l _Toc7539 2.3.2 求值器 PAGEREF _Toc7539 8 HYPERLINK l _Toc22992 2.3.3 基于頂點的操作 PAGEREF _Toc22992 9 HYPERLINK l _Toc23608 2.3.4 圖元裝配 PAGEREF _Toc23608 9 HY

4、PERLINK l _Toc5175 2.3.5像數(shù)操作 PAGEREF _Toc5175 9 HYPERLINK l _Toc15749 2.3.6紋理裝配 PAGEREF _Toc15749 9 HYPERLINK l _Toc24809 2.3.7光柵化 PAGEREF _Toc24809 9 HYPERLINK l _Toc8002 2.3.8片段操作 PAGEREF _Toc8002 9 HYPERLINK l _Toc5981 2.4計算機圖形學(xué) PAGEREF _Toc5981 10 HYPERLINK l _Toc20361 2.3 MFC框架 PAGEREF _Toc2036

5、1 10 HYPERLINK l _Toc22457 2.4基于OpenGL+MFC的三維模擬的編程環(huán)境配置 PAGEREF _Toc22457 12 HYPERLINK l _Toc13951 第三章 水波的計算機模擬原理和關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc13951 14 HYPERLINK l _Toc22493 3.1水的流體物理性質(zhì) PAGEREF _Toc22493 14 HYPERLINK l _Toc4003 3.2 基本原理 PAGEREF _Toc4003 16 HYPERLINK l _Toc21988 3.2.1 建立區(qū)域采樣法水波數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc21

6、988 16 HYPERLINK l _Toc14035 3.2.2 水波擴散分析與解決方法 PAGEREF _Toc14035 16 HYPERLINK l _Toc17311 第四章 基于OpenGL的水波模擬 PAGEREF _Toc17311 17 HYPERLINK l _Toc28259 4.1 系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc28259 17 HYPERLINK l _Toc6857 4.2 水波模擬的算法設(shè)計 PAGEREF _Toc6857 17 HYPERLINK l _Toc28405 4.3 擾動 PAGEREF _Toc28405 21 HYPERLINK l _T

7、oc2058 44 水波模擬系統(tǒng)的邏輯視圖 PAGEREF _Toc2058 21 HYPERLINK l _Toc22253 4.5 主要結(jié)構(gòu)體和類的設(shè)計： PAGEREF _Toc22253 23 HYPERLINK l _Toc19215 4.5 實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc19215 24 HYPERLINK l _Toc32443 第五章結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc32443 27 HYPERLINK l _Toc23600 5.1 結(jié)論 PAGEREF _Toc23600 27 HYPERLINK l _Toc8279 5.2展望 PAGEREF _Toc8279 2

8、7 HYPERLINK l _Toc11392 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc11392 28摘要近年來, 自然景物的模擬一直是計算機圖形學(xué)最具挑戰(zhàn)的問題之一, 關(guān)于山、水等自然景物的模擬, 在計算機游戲、影視、廣告各領(lǐng)域中有著廣泛的用途, 作為自然景物模擬的重要容, 對水流、水波的模擬正日益引起人們的關(guān)注.。本論文通過對國外水波動畫模擬的相關(guān)成就的介紹，與對其的一定了解和文獻(xiàn)的參考，基本實現(xiàn)了水波的模擬，基于opengl+MFC建?；A(chǔ)展開探討，對水波的計算模擬原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，例如水波的物理模型，運動方程，物理特性等，結(jié)合以上知識進(jìn)行水波模擬，實驗證明該方法實現(xiàn)簡單，模擬的水波動

9、畫效果滿足實時性和逼真性的要求。關(guān)鍵詞: 水波模擬; 物理模型; opengl; 運動方程;Abstract:In recent years, the impersonation of natural landscape has been a computer graphics the most challenging problems, one of the hills, waters and natural scenery, in computer games, advertising film, the area has an extensive use of natural scene

10、ry as an important part of a simulation of the water, water was increasingly a cause for concern.This paper with animated simulations water through the achievement of its introduction, and be sure to understand and the reference, the water, based on the modeling opengl mfc based on the water, the im

11、personation and the key technologies, such as water physical model, the equation of motion, physical properties, etc, the more knowledge on the corrugated, experiments prove this method to process of animation, the effect of water content timely and accurate sexualKeywords: the corrugated; the physi

12、cal models to simulate; opengl; equation of motion; 第一章 緒論OpenGL 是由Silicon Graphics 公司推出的一種高性能圖形開發(fā)軟件工具包，該工具包括大約120 條不同的指令，它獨立于硬件，獨立于窗口系統(tǒng)，由于具有這個優(yōu)越的特性，因此可以運行于各種操作系統(tǒng)，而且可以在各個平臺之間進(jìn)行移植，并且能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶/服務(wù)器模式工作，已經(jīng)成為專業(yè)圖形處理、科學(xué)計算等高端應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫，因此Microsoft，SGI，IBM 等在計算機市場中占主導(dǎo)地位的大公司都用它作為自己的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫課題提出的背景通過計算機盡可能逼真的模擬現(xiàn)

13、實世界，一直是計算機圖形學(xué)，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個研究熱點。對于地形的綿延起伏、光的折射和反射等自然現(xiàn)象的模擬，人們可以根據(jù)一些現(xiàn)有的不太復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，通過數(shù)學(xué)建模來獲得某種特定的效果。但是對于另外一些自然現(xiàn)象，例如各種煙霧，水，火焰等流體現(xiàn)象，雖然看似簡單，但是對其進(jìn)行描述的物理模型卻極其復(fù)雜，這時只有去追溯該現(xiàn)象本身的物理根源，并借助更為精確的物理描述才能真實再現(xiàn)其外在的視覺效果。水波模擬不僅是一個很具有挑戰(zhàn)性的研究課題，更具有很好的商業(yè)價值，它在航海仿真、虛擬城市游覽、視頻游戲、數(shù)字電影和數(shù)字廣告中都有大量應(yīng)用。一片逼真自然的水面可以很好的增加場景的逼真感和沉浸感。目前的一些三維圖形

14、軟件產(chǎn)品已經(jīng)有不少包含了流體模擬的模塊，如Maya里面的MayaFluid EffectsTM；3DS Max提供的glu3D流體插件；Next Limit推出的RealFlow和RealWave獨立軟件包更是出類拔萃，被稱為PC機上最好的兩種流體動力學(xué)模擬軟件。但是他們只是流體的圖形建模工具。1.1.2 課題的意義從一杯純凈的清水到潺潺的小溪，從微波起伏的湖面到巨浪滔天的海洋，這些日常生活中看似十分平常的東西，在計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究者的眼中看來，與模擬地形、雨雪等其他自然景觀相比較，模擬流體更具有挑戰(zhàn)性。究其原因，主要流體的形體多變，沒有一個固定的形狀，很難用一個通用的方程來表示；

15、物理模型極其復(fù)雜，其波動是受到重力、摩擦力、粘滯力等各種力的綜合影響；力學(xué)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式多為偏微分方程，求解難度大，計算復(fù)雜；具有復(fù)雜的光學(xué)效果，如水的透明度、折射和反射等。雖然具有挑戰(zhàn)性，但方法總比問題多。早期我們使用波形函數(shù)模擬簡單的水面波動，隨著計算機硬件水平的發(fā)展和研究技術(shù)的進(jìn)步，如今可以根據(jù)流體的物理模型，使用數(shù)值方法模擬真實感很強的三維流體。近年來,計算機圖形學(xué)的發(fā)展突飛猛進(jìn)并有著極為廣泛的用途. 計算機圖形學(xué)的發(fā)展使得三維表現(xiàn)技術(shù)得以形成,所謂計算機三維圖形就是指將用數(shù)據(jù)描述的三維空間通過計算轉(zhuǎn)換成三維圖像并顯示或打印出來的技術(shù),OPENGL 就是支持計算機三維圖形的一個程序庫

16、. 在計算機圖形學(xué)中,模擬水流動畫是一個很有意義的課題.1.2 國外研究現(xiàn)狀1.2.1 四大類水波模擬的方法目前水波動畫的模擬方法大體上可以分為四大類:第一類：基于波的分析方法。這類方法直接構(gòu)造參數(shù)曲面來代表水表面,參數(shù)曲面由波形函數(shù)表示,也就是說這一類方法通過直接模擬波屬性來得到水波的水波圖像,可以模擬雨點造成的水波,微風(fēng)造成的漣漪和紊亂的短波峰,但是解決不了水流的形體的破碎問題.第二類：基于物理模型的方法?；谖锢砟Ｐ偷幕舅悸肥怯梦锢硪?guī)律約束物體的運動,然后用圖形學(xué)方法把物體形狀渲染出來,這種方法可以保證物體的動態(tài)逼真性,也可以輕松地制作出逼真的動畫來,這方面的典是Navier-Stok

17、es方程.它有很強的物理背景,是當(dāng)今非淺性科學(xué)研究中的重點和熱點問題. 若使用這種方法建立淺水波模型,再使用計算流體動力學(xué)的數(shù)值分析工具來求取方程數(shù)值解,這個方法過于復(fù)雜且對光影處理能力差.第三類：基于粒子系統(tǒng)的方法，這類方法把流體看作離散的粒子集,粒子有一定的屬性,使用這種方法人們成功地描述了瀑布、噴泉、水滴以與浪花飛沫.第四類：基于光影處理的方法。這類方法專注于模擬水流的光影特效,能出色地模擬人們從水底和水上觀察照射在水波上形成的光與影現(xiàn)象.這方面的工作把注意力集中到如何模擬光線和水流的作用效果上來,無法兼顧水流的其他特性.1.2.2水波模擬面臨的困難水波有一系列特性,如擴散、衰減、折射以

18、與反射等,我們需要了解這些特性以與我們所面臨的問題,我們所面臨的問題主要有:(1) 對波的模擬,水波是水流運動的關(guān)鍵屬性,當(dāng)水流受到各種外部與部物體的作用時,會產(chǎn)生波,并且在水流部傳播,視覺上表現(xiàn)為水表面上的波紋和漩渦;(2) 光與影的處理,水是透明的,它的視覺印象很大程度上取決于周圍的環(huán)境,另外水對光的折射作用使水中的光影效果復(fù)雜多變;(3) 水流形體的繪制,水的形狀是不確定,易于改變,一方面,若把水的形狀看成一個高度場表示的曲面,則無法表現(xiàn)水流的破碎以與卷曲的波紋,另一方面若把水看成由許多水粒子組成的點集,又面臨如何進(jìn)行可視化的問題;(4) 水流與外界物體的相互作用,當(dāng)一個物體掉入水中或水

19、有物體在運動水流會受到怎樣的影響1.2.3 國水波動畫模擬相關(guān)研究上述的水面模擬方法都有一個共同的不足，那就是不能描述水體的自由流動和水面的劇烈變形，如波浪破碎等。為了克服這種缺陷，有研究者提出了采用粒子系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)，但是畢竟真實感還是不夠。隨著計算機處理能力的增強和計算流體動力學(xué)的廣泛應(yīng)用，以與對模擬結(jié)果真實感的追求，近年來國外對流體模擬的研究都轉(zhuǎn)向了基于物理的流體模擬，因為基于物理方法所得到的試驗結(jié)果，相對于基于參數(shù)建模方法所得到的結(jié)果，不僅真實感要好上許多，而且可以實現(xiàn)流體表面的自由流動和劇烈變形效果，如流體飛濺，表面破碎，以與泡沫等，這是后者所難以企與的?；谖锢淼姆椒ㄖ饕譃閮煞N

20、：一種是基于網(wǎng)格的歐拉法，它從研究流體所占據(jù)的空間中各個固定點處的運動著手，分析運動流體所充滿的空間中每一個固定點上流體的速度、壓強、密度等參數(shù)隨時間的變化情況，以與研究由某一空間點轉(zhuǎn)到另一空間點時這些參數(shù)的變化情況；另一種方法是基于粒子方法的拉格朗日方法，研究流體中某一指定微團的速度、壓強、密度等描述流體運動的參數(shù)隨時間的變化情況，以與研究由一個流體微團轉(zhuǎn)到其他流體微團時參數(shù)的變化情況，以此建立整個流體的運動仿真。雖然我國計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究起步晚于歐美發(fā)達(dá)國家，但是近年來國虛擬現(xiàn)實技術(shù)，特別是視頻游戲的快速發(fā)展，促進(jìn)了我國水波模擬研究和技術(shù)的進(jìn)步，也取得了很多的成績。懷平根據(jù)小

21、振幅波理論文獻(xiàn)1中，水波的波形近似成正弦分布這一理論并結(jié)合細(xì)胞自動機的模型，采用鄰域傳播的思想對水波進(jìn)行動態(tài)建模，可以構(gòu)造出不同鄰域下水波演變的細(xì)胞自動機模型。并且采用以POINT圖元為基本粒子的粒子系統(tǒng)，對水花效果進(jìn)行實時的模擬。為將水波和浪花逼真地結(jié)合在一起，作者運用色彩融和的技術(shù)來完成浪花的顯示。實踐證明用該算法模擬水波，既不需要特意構(gòu)造具體的波形函數(shù)，也不用求解復(fù)雜的納維一斯托克斯方程，就能夠在普通的PC平臺上實現(xiàn)效果比較真實的水面模擬。夏青利用柏林噪聲函數(shù)生成的高度場為海浪中的每個頂點提供高度采樣源，同時針對海浪仿真中計算機量大的問題，又提出一種實時繪制可見梯形圍技術(shù)，解決海浪仿真中

22、數(shù)據(jù)量大的問題，確保實時仿真和逼真的視覺效果，同時使用菲涅爾效果，將反射和折射效果混合在一起，增強海浪起伏的真實感。王勝正在以往水波模型研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)海浪的形態(tài)，充分考慮各種隨機參數(shù)，建立一個高性能的基于統(tǒng)計模型與FFT的波浪生成方法，模擬船舶在海浪中航行的各種特殊效果。軍采用Gerstner-Rankine模型，引入概率統(tǒng)計思想，借鑒了映射網(wǎng)格的方法，采用視點相關(guān)的圓形網(wǎng)格，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通網(wǎng)格完成水面高度場的采樣，且能支持實時動態(tài)連續(xù)分辨率水波表現(xiàn)的建模和繪制。邱捷利用水波物理模型模擬海面運動，該方法實現(xiàn)簡單，而且擁有良好的性能，適合于三維游戲引擎。鵬，立朝等另辟新徑，在優(yōu)化算法的同時，

23、重點對規(guī)則水波模型算法進(jìn)行了研究，采用計算和顯示分開的策略，預(yù)先產(chǎn)生大量水波數(shù)據(jù)予以保存，然后在渲染時再調(diào)用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)了三維規(guī)則水面波浪的繪制與仿真，該方法的優(yōu)點是既滿足顯示質(zhì)量的要求，又滿足實時性要求，但由于波浪數(shù)據(jù)是預(yù)先生成的，沒有考慮隨機擾動等外界干擾。1.2.4 國外水波動畫模擬相關(guān)研究技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美國家很早就開展了對海洋和湖面這類廣域水面水波模擬的研究，也一直走在流體模擬研究的前列，很多新穎的模擬方法都是由國外學(xué)者提出來的。早期水波模擬方法主要采用參數(shù)建模方式，通過直接構(gòu)造參數(shù)曲面來表示水面。早在1809年Gerstner1提出了GerstIler模型用于海浪建模，采用波函數(shù)來模擬

24、海面高低起伏的運動。1863年Rankine又對這一模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，后人稱之為Gerstner-Rankine模型。概略地講，這一模型描述沿圓形或橢圓形固定軌道運轉(zhuǎn)的水粒子。由表面中的每一個粒子沿著其靜止位置點作圓周運動。假設(shè)海平面靜止時是XY平面，Z軸指向朝上，一個粒子的運動方程為： (1-1) (1-2)該方法不需要大量的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換計算，但需要合理地調(diào)整參數(shù)和添加一些背景噪聲。為增加逼真度，Gerstner-Rankine模型往往采用疊加不同頻率的波形函數(shù)和增加網(wǎng)格頂點方法，因此計算量也隨之增大，另外一個不足之處是對于不同的波形需要重新定義不同波形函數(shù)，缺乏通用性?？焖俑道锶~變換(Fas

25、t Foumier Transformation，F(xiàn)FT)可實現(xiàn)時域到頻域的變換，在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。Jensen2、Tessendorf3、Fredrik Limsater4分別詳細(xì)描述了利用海洋統(tǒng)計和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，通過FFT合成一個類似海浪譜分布的高度場模擬海浪的方法，此方法的模擬的海面場景是目前參數(shù)法當(dāng)中真實感是最強的，也是當(dāng)今運用最廣泛的水面建模方法。相信很多人都看過“泰坦尼克號和“新海神號歷險記”這兩部電影，對電影中那鋪天蓋地的海水吞沒泰坦尼克號和海神號時的場景肯定印象深刻。其實那些海水都是使用快速傅里葉變換的方法模擬出來的。但由于在合成過程中常采用規(guī)則矩形粗網(wǎng)格來完成實時繪制和避免

26、FFT方法產(chǎn)生的視覺上明顯的重復(fù)性，從而降低了圖像的質(zhì)量和真實感。另一個不足之處就是因為流體表面的網(wǎng)格點只能在其起始位置附近運動，無法模擬波浪破碎和水沫效果。需要借助粒子系統(tǒng)解決，將粒子系統(tǒng)放在水面與岸相撞擊的地方，以粒子來模擬浪花和泡沫，提高模擬的真實感。海洋統(tǒng)計學(xué)研究指出，海面波浪的起伏運動是一個服從正態(tài)分布的隨機過程，而且具有各態(tài)歷經(jīng)性，因此服從高斯分布的噪聲函數(shù)開始在大規(guī)模水面模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。1985年P(guān)erlin提出柏林噪聲函數(shù)。該函數(shù)是能夠在空間中產(chǎn)生連續(xù)噪聲的函數(shù)。通過疊加不同層次的噪聲函數(shù)可以很好的模擬自然現(xiàn)象中的分層現(xiàn)象，在地形生成5，立體云模擬6和水面模擬當(dāng)中應(yīng)用廣

27、泛。在水面模擬當(dāng)中可通過柏林噪聲函數(shù)來構(gòu)造海面高度場，模擬水面的隨機起伏，例如Johanson7引入投影網(wǎng)格的概念，在后透視空間構(gòu)造海面網(wǎng)格，并通過Pedin噪聲的疊加來構(gòu)建海面高度場。Lawrence MLachman8則借鑒了LOD這一有效的場景管理方式，提出了一種多層次開放式結(jié)構(gòu)對海水進(jìn)行建模，通過使用多層次多分辨率方法在GPU上實現(xiàn)海浪模擬，提高了渲染速度。海面波浪的運動具有一定的物理規(guī)律，因此基于物理模型的海洋模擬是近年來海面模擬的一個研究熱點。Simon Premoze9提出了一種新的基于物理模型的大面積水面(如海面，湖泊水面)產(chǎn)生方法，作者根據(jù)海洋學(xué)的觀察數(shù)據(jù)實時生成波浪，并且通

28、過幾個簡單又具有物理意義的參數(shù)，如風(fēng)速，風(fēng)向來控制波浪。同時還考慮光在水中傳播的物理特性，在不同天氣環(huán)境和光照下，水體也呈現(xiàn)不同的顏色，最終的模擬效果十分逼真。隨著可編程GPU的出現(xiàn)，GPU的運用已不僅僅是3D加速和渲染，已經(jīng)有很多研究者開始利用GPU的強大計算能力來加速計算。針對FFT計算量大的缺陷，Jason LMiteheU10提出了一種基于GPU的傅里葉域多邊帶(multiband Fourier domain)方法，模擬了廣袤海洋場景。第二章 基于OpenGLMFC建模基礎(chǔ)2.1 OpenGL簡介OpenGL（全寫Open Graphics Library）是個定義了一個跨編程語言、

29、 HYPERLINK ://zh-cn/%E8%B7%A8%E5%B9%B3%E5%8F%B0 o 跨平臺 跨平臺的 HYPERLINK ://zh-cn/%E7%BC%96%E7%A8%8B%E6%8E%A5%E5%8F%A3 o 編程接口 編程接口(Application programming interface)的規(guī)格，它用于生成 HYPERLINK ://zh-cn/%E4%BA%8C%E7%BB%B4%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E5%9B%BE%E5%BD%A

30、2 o 二維計算機圖形 二維、 HYPERLINK ://zh-cn/%E4%B8%89%E7%B6%AD%E8%A8%88%E7%AE%97%E6%A9%9F%E5%9C%96%E5%BD%A2 o 三維計算機圖形 三維圖像。這個接口由近三百五十個不同的函數(shù)調(diào)用組成，用來從簡單的圖元繪制復(fù)雜的三維景象。而另一種編程接口系統(tǒng)是僅用于 HYPERLINK ://zh-cn/Microsoft_Windows o Microsoft Windows Microsoft Windows上的 HYPERLINK :/zh.wikipedi

31、/zh-cn/Direct3D o Direct3D Direct3D。 OpenGL常用于 HYPERLINK ://zh-cn/CAD o CAD CAD、 HYPERLINK ://zh-cn/%E8%99%9B%E6%93%AC%E5%AF%A6%E5%A2%83 o 虛擬實境 虛擬實境、科學(xué)可視化程序和 HYPERLINK ://w/index.php?title=%E9%9B%BB%E5%AD%90%E9%81%8A%E6%88%B2%E9%96%8B%E7%99%BC&act

32、ion=edit&redlink=1 o 電子游戲開發(fā)（尚未撰寫） 電子游戲開發(fā)。OpenGL的高效實現(xiàn)（利用了圖形加速硬件）存在于 HYPERLINK ://zh-cn/Microsoft_Windows o Microsoft Windows Windows，很多 HYPERLINK ://zh-cn/UNIX o UNIX UNIX平臺和 HYPERLINK ://zh-cn/MacOS o MacOS MacOS。這些實現(xiàn)一般由顯示設(shè)備廠商提供，而且非常依賴于該廠商提供的硬件。 HYPERL

33、INK ://zh-cn/%E9%96%8B%E6%94%BE%E5%8E%9F%E5%A7%8B%E7%A2%BC o 開放源代碼 開放源代碼庫 HYPERLINK ://zh-cn/Mesa_library o Mesa library Mesa是一個純基于軟件的圖形API，它的代碼兼容于OpenGL。但是，由于許可證的原因，它只聲稱是一個“非常相似”的API。OpenGL規(guī)由 HYPERLINK ://zh-cn/1992%E5%B9%B4 o 1992年 1992年成立的OpenGL架構(gòu)評審

34、委員會（ARB）維護。ARB由一些特別興趣于建立一個統(tǒng)一的普遍可用的API的公司組成。根據(jù)OpenGL官方， HYPERLINK ://zh-cn/2002%E5%B9%B4 o 2002年 2002年 HYPERLINK ://zh-cn/6%E6%9C%88 o 6月 6月的ARB投票成員包括 HYPERLINK ://zh-cn/3Dlabs o 3Dlabs 3Dlabs、 HYPERLINK ://zh-cn/%E8%98%8B%E6%9E%9C%E5%85

35、%AC%E5%8F%B8 o 蘋果公司 Apple Computer、 HYPERLINK ://zh-cn/ATI%E6%8A%80%E8%A1%93%E5%85%AC%E5%8F%B8 o ATI技術(shù)公司 ATI Technologies、 HYPERLINK ://zh-cn/%E6%88%B4%E5%B0%94 o 戴爾 Dell Computer、 HYPERLINK ://w/index.php?title=Evans_%26_Sutherland&action=edit&redlink

36、=1 o Evans & Sutherland（尚未撰寫） Evans & Sutherland、 HYPERLINK ://zh-cn/Hewlett-Packard o Hewlett-Packard Hewlett-Packard、 HYPERLINK ://zh-cn/International_Business_Machines o International Business Machines IBM、 HYPERLINK ://zh-cn/Intel o Intel Intel、 HY

37、PERLINK ://zh-cn/Matrox o Matrox Matrox、 HYPERLINK ://zh-cn/NVIDIA o NVIDIA NVIDIA、 HYPERLINK ://zh-cn/Silicon_Graphics o Silicon Graphics SGI和 HYPERLINK ://zh-cn/Sun_Microsystems o Sun Microsystems Sun Microsystems（ HYPERLINK :/zh.wiki

38、/zh-cn/Microsoft o Microsoft Microsoft曾是創(chuàng)立成員之一，但已于 HYPERLINK ://zh-cn/2003%E5%B9%B4 o 2003年 2003年 HYPERLINK ://zh-cn/3%E6%9C%88 o 3月 3月退出）。2.1 OpenGL發(fā)展歷程1992年7月，SGI公司發(fā)布了OpenGL的1.0版本，隨后又與微軟公司共同開發(fā)了Windows NT版本的OpenGL，從而使一些原來必須在高檔圖形工作站上運行的大型3D圖形處理軟件也可以在微機上運用。199

39、5年OpenGL的1.1版本面市，該版本較1.0性能提高許多，并加入了一些新的功能。包括提高頂點位置、法線、顏色、色彩指數(shù)、紋理坐標(biāo)、多邊形邊緣標(biāo)識的傳輸速度，引入了新的紋理特性等等。1997年，Windows 95下3D游戲的大量涌現(xiàn)，游戲開發(fā)公司迫切需要一個功能強大、兼容性好的3D圖形接口，而當(dāng)時微軟公司自己的3D圖形接口DirectX 3.0功能卻是很糟糕。微軟公司最終在Windows 95的OSR2版和后來的Windows 版本中加入了對OpenGL的支持。這樣，不但許多支持OpenGL的電腦3D游戲得到廣泛應(yīng)用，而且許多在3D圖形設(shè)計軟件也可以運用支持OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的3d加速卡，大

40、大提高其3D圖形的處理速度。2003年的7月28日，SGI和ARB公布了OpenGL 1.5。OpenGL 1.5中包括OpenGL ARB的正式擴展規(guī)格繪制語言“OpenGL Shading Language”。OpenGL 1.5的新功包括：頂點Buffer Object、Shadow功能、隱蔽查詢、非乘方紋理等。2004年8月，OpenGL2.0版本發(fā)布OpenGL 2.0標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者并非原來的SGI，而是逐漸在ARB中占據(jù)主動地位的3Dlabs。opengl2.0支持OpenGL Shading Language、新的shader擴展特性以與其他多項增強特性。2008年8月初Khr

41、onos工作組在Siggraph 2008大會上宣布了OpenGL 3.0圖形接口規(guī)，GLSL1.30 shader語言和其他新增功能將再次未來開放3D接口發(fā)展指明方向。OpenGL 3.0 API開發(fā)代號為Longs Peak，和以往一樣，OpenGL 3.0仍然作為一個開放性和跨平臺的3D圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，在Shader語言盛行的今天，OGL3.0增加了新版本的shader語言：GLSL 1.30,可以充分發(fā)揮當(dāng)前可編程圖形硬件的潛能。同時，OGL3.0還引入了一些新的功能，例如頂點矩陣對象，全幀緩存對象功能，32bit浮點紋理和渲染緩存，基于阻塞隊列的條件渲染，緊湊行半浮點頂點和像素數(shù)據(jù)，四

42、個新壓縮機制等等。Open GL仍然是唯一能夠取代微軟對3D圖形技術(shù)的完全控制的API。它仍然具有一定的生命力，但是Silicon Graphics已經(jīng)不再以任何讓微軟不悅的方式推廣Open GL，因而它存在較高的風(fēng)險。游戲開發(fā)人員是一個有著獨立思想的群體，很多重要的開發(fā)人員目前仍然在使用Open GL。因此，硬件開發(fā)商正在設(shè)法加強對它的支持。Direct3D目前還不能支持高端的圖形設(shè)備和專業(yè)應(yīng)用； Open GL在這些領(lǐng)域占據(jù)著統(tǒng)治地位。最后，開放源碼社區(qū)（尤其是Mesa項目）一直致力于為任何類型的計算機（無論它們是否使用微軟的操作系統(tǒng)）提供Open GL支持。08年8月正式公布OpenGL

43、3.0版本。并且得到了nv的支持，其官方上提供針對N卡的sdk下載。2.3 OpenGL渲染管線絕大數(shù)OpenGL實現(xiàn)都有相似的操作順序，一系列相關(guān)的處理階段稱為OpenGL渲染管線。圖1顯示了這些順序，雖然并沒有嚴(yán)格規(guī)定OpenGL必須采用這樣的實現(xiàn)，但它提供了一個可靠的指南，可以預(yù)測OpenGL將以什么樣的順序來執(zhí)行這些操作。圖1 OpenGL渲染管道圖1顯示了Henry Ford在福特汽車公司采用的裝配線方法，它也是OpenGL處理數(shù)據(jù)的方法。幾何數(shù)據(jù)(頂點，直線和多邊形)所經(jīng)歷的處理階段包括求值和基于頂點的操作，而像素數(shù)據(jù)(像素，圖像和位圖)的處理過程側(cè)有所不同。在最終的像素數(shù)據(jù)寫入到

44、幀緩沖區(qū)之前，這兩種類型的數(shù)據(jù)都將經(jīng)過一樣的最終步驟(光棚化和片斷操作)。下面，詳細(xì)地介紹OpenGL渲染管線的一些關(guān)鍵階段：2.3.1 顯示列表任何數(shù)據(jù)，不管它所描述的是幾何圖形還是像素，都可以保存在顯示列表(display list)中，供當(dāng)前或以后使用。當(dāng)然，我們也可以不把數(shù)據(jù)保存在顯示列表中，而是立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種模式也稱為立即模式(immediate mode)。當(dāng)一個顯示列表被執(zhí)行時，被保存的數(shù)據(jù)就從顯示列表中取出，就像在立即模式下直接由應(yīng)用程序所發(fā)送的那樣。2.3.2 求值器所有的幾何圖元最終都要通過頂點來描述。參數(shù)化曲線和表面最初可能是通過控制點以與成為基函數(shù)(Basic

45、 function)的多項式函數(shù)進(jìn)行描述的。求職器提供了一種方法。根據(jù)控制點計算表示表面的頂點。這種方法是一種多項式映射，它可以根據(jù)控制點產(chǎn)生表面法線、紋理坐標(biāo)、顏色以與空間坐標(biāo)。2.3.3 基于頂點的操作對于頂點數(shù)據(jù)，接下來的一個步驟就是基于頂點的操作，就是把頂點變換為圖元。有些類型的頂點數(shù)據(jù)(例如空間坐標(biāo))是通過一個4*4的浮點矩陣進(jìn)行變換的。空間坐標(biāo)從3D世界的一個位置投影到屏幕上的一個位置。如果啟用了高級特性，這個階段將更為忙碌。如果使用了紋理，這個階段還將生成并變換紋理坐標(biāo)。如果啟用了光照，就需要綜合變換后的頂點，表面法線，光源位置，材料屬性以與其他光照信息進(jìn)行光照計算，產(chǎn)生最終的顏

46、色值。2.3.4 圖元裝配圖元裝配的一個主要容就是剪裁，它的任務(wù)是消除位于半空間(half-space)之外的那部分幾何圖元，而這個半空間是由一個平面所定義的。點剪裁就是簡單地接受或拒絕頂點，直線或多邊形剪裁則可能需要添加額外的頂點，具體取決于直線或多邊形是如何進(jìn)行剪裁的。在有些情況下，接下來需要執(zhí)行一個稱為透視除法(perspective division)的步驟。它使遠(yuǎn)處的物體看起來比近處的物體更小一些。接下來所進(jìn)行的是視口(viewport)和深度(z坐標(biāo))操作。如果啟用了剔除功能(culling)并且該圖元是個多邊形，那么它就有可能被剔除測試所拒絕。取決于多邊形模式，多邊形可能被畫成點

47、的形式或者直線的形式。這個階段所產(chǎn)生的結(jié)果就是完整的幾何圖元，也就是根據(jù)相關(guān)的顏色，深度(有時還有紋理坐標(biāo)值以與和光棚化處理有關(guān)的一些指導(dǎo)信息)進(jìn)行了變換和剪裁的頂點。2.3.5像數(shù)操作在OpenGL的渲染管線中，和單路徑的幾何數(shù)據(jù)相比，像素數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的流程有所不同。首先，來自系統(tǒng)存的一個數(shù)組中的像素進(jìn)行解包，從某種格式(像素的原始格式可能有多種)解包為適當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)成分。接著，這些數(shù)據(jù)被縮放、偏移，并根據(jù)一副像素圖進(jìn)行處理。處理結(jié)果先進(jìn)行截取，然后或者寫入到紋理存，或者發(fā)送到光棚化階段。如果像素數(shù)據(jù)時從幀緩沖區(qū)讀取的，就對他們執(zhí)行像素轉(zhuǎn)換操作(縮放、偏移、映射和截取)。然后，這些結(jié)果被包裝為

48、一種適當(dāng)?shù)母袷?，并返回到系統(tǒng)存的一個數(shù)組中。OpenGL有一種特殊的像素復(fù)制操作，可以把數(shù)據(jù)從幀緩沖區(qū)復(fù)制到幀緩沖區(qū)的其他位置或紋理存中。這樣，在數(shù)據(jù)寫入到紋理存或者寫回到幀緩沖區(qū)之前，只需要進(jìn)行一道像素轉(zhuǎn)換就可以了。2.3.6紋理裝配OpenGL應(yīng)用程序可以在幾何物體上應(yīng)用紋理圖像，使它們看上去更為逼真。如果需要使用多幅紋理圖像，把它們放在紋理對象中是一種明智的做法。這樣，就可以很方便地在他們之間進(jìn)行切換。有些OpenGL實現(xiàn)擁有一些特殊的資源，可以加速紋理的處理。這種資源可能是專用的，高性能的紋理存。如果確實擁有這種存，紋理對象可能會優(yōu)先進(jìn)行處理，以控制這種有限和寶貴的資源的使用。2.3.

49、7光柵化光棚化就是把幾何數(shù)據(jù)和像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片斷(fragment)的過程。每個片斷方塊對應(yīng)用于幀緩沖區(qū)中的一個像素。把頂點連接起來形成直線或者計算填充多邊形的部像素時，需要考慮直線和多邊形的點畫模式，直線的寬度，點的大小，著色模型以與用于支持抗鋸齒處理的覆蓋計算。每個片斷方塊都將具有各自的顏色和深度值。2.3.8片段操作在數(shù)據(jù)實際存儲到幀緩沖區(qū)之前，將要執(zhí)行一系列的操作。這些操作可能會修改甚至丟棄這些片斷。所有這些操作都可以被啟用或禁用。第一個可能執(zhí)行的操作是紋理處理。在紋理存中為每個片斷生成一個紋理單元(texel，也就是紋理元素)，并應(yīng)用到這個片斷上。接著可能進(jìn)行的是霧計算，然后是剪裁測

50、試，alpha測試，模板測試和深度緩沖區(qū)測試(深度緩沖區(qū)用于消除被隱藏的表面)。如果一個片斷無法通過一個啟用的測試，它的連續(xù)處理過程可能會被中斷。隨后，將要執(zhí)行的可能是混合，抖動，邏輯操作以與根據(jù)一個位掩碼的屏蔽操作。最后，經(jīng)過完整處理的片斷就被繪制到適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)，最終成為一個像素并到達(dá)它的最終目的地。2.4計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科，1963年，伊凡.澤蘭在麻省理工學(xué)院發(fā)表了名為畫板的博士論文，標(biāo)志著計算機圖形學(xué)的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學(xué)，計算機可以部分的表現(xiàn)人的右腦功能了，所以計算機圖形學(xué)的建立具有相當(dāng)

51、重要的意義。我國開展計算機圖形設(shè)備和計算機輔助幾何設(shè)計方面的研究開始于20世紀(jì)60年代中后期。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，我國在計算機圖形學(xué)領(lǐng)域無論在理論研究還是在實際應(yīng)用方面都取得了可喜的成果。計算機圖形學(xué)是伴隨著電子計算機與其外圍設(shè)備而產(chǎn)生和發(fā)展起來的，是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學(xué)已成為計算機科學(xué)中，最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。計算機圖形學(xué)的研究領(lǐng)域非常廣泛，包括幾何和自然景象模型的建立、彩色真實感圖形的生成、交互技術(shù)、人機界面、圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等。他的主要應(yīng)用圍包括計算機輔助設(shè)計與制造、作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練、計算機動畫與藝術(shù)以與地

52、形地貌和自然資源圖等。計算機圖形學(xué)前沿的研究課題包括科學(xué)計算的可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、基于物理規(guī)律的幾何造型、自然景象的模擬、計算機動畫以與利用并行處理技術(shù)提高真實感圖形的現(xiàn)實處理速度等。隨著計算機系統(tǒng)、圖形輸入、圖形輸出設(shè)備的發(fā)展，計算機圖形軟件有了很大的發(fā)展。在這基礎(chǔ)上，計算機圖形學(xué)所設(shè)計的算法通過了幾十年熱烈的討論和探索，也越來越豐富和完善。計算機圖形學(xué)設(shè)計的算法非常豐富，大致可分為以下幾類：(1)基本圖元素的生成算法，如生成直線、圓弧、二次曲線、區(qū)域填色、反走樣等。(2)基本圖元素的幾何變換、投影變換、裁剪等。(3)圖元素（點、線、環(huán)、面、體）的求交與分類以與集合運算。(4)自由曲線和曲

53、面的生成、插值、拼接、分解等。(5)隱藏面和隱藏線的消除以與具有光照顏色效果的真是圖形顯示。(6)不同字體的點陣表示，矢量中、西文字符的生成與變換。(7)模糊景物的生成。(8)三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化。(9)三維形體的實時顯示和圖形的并行處理。(10)虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成與其控制算法等。圍繞著寫算法，多年來發(fā)表了很多論文，有些算法越來越完善，甚至實現(xiàn)了固化。然而有些算法還不是十分理想，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷膩磉M(jìn)一步提高其效率。2.3 MFC框架一MFC概述 MFC是一個編程框架 MFC (Microsoft Foundation Class Library) 中的各種類結(jié)合起來構(gòu)成了一個應(yīng)用程序框架

54、，它的目的就是讓程序員在此基礎(chǔ)上來建立Windows下的應(yīng)用程序，這是一種相對SDK來說更為簡單的方法。因為總體上，MFC框架定義了應(yīng)用程序的輪廓，并提供了用戶接口的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)方法，程序員所要做的就是通過預(yù)定義的接口把具體應(yīng)用程序特有的東西填入這個輪廓。Microsoft Visual C+提供了相應(yīng)的工具來完成這個工作：AppWizard可以用來生成初步的框架文件（代碼和資源等）；資源編輯器用于幫助直觀地設(shè)計用戶接口；ClassWizard用來協(xié)助添加代碼到框架文件；最后，編譯，則通過類庫實現(xiàn)了應(yīng)用程序特定的邏輯。 封裝 構(gòu)成MFC框架的是MFC類庫。MFC類庫是C+類庫。這些類或者封裝了Wi

55、n32應(yīng)用程序編程接口，或者封裝了應(yīng)用程序的概念，或者封裝了OLE特性，或者封裝了ODBC和DAO數(shù)據(jù)訪問的功能，等等，分述如下。 對Win32應(yīng)用程序編程接口的封裝 用一個C+ Object來包裝一個Windows Object。例如：class CWnd是一個C+ window object，它把Windows window(HWND)和Windows window有關(guān)的API函數(shù)封裝在C+ window object的成員函數(shù)，后者的成員變量m_hWnd就是前者的窗口句柄。 對應(yīng)用程序概念的封裝 使用SDK編寫Windows應(yīng)用程序時，總要定義窗口過程，登記Windows Class，創(chuàng)

56、建窗口，等等。MFC把許多類似的處理封裝起來，替程序員完成這些工作。另外，MFC提出了以文檔-視圖為中心的編程模式，MFC類庫封裝了對它的支持。文檔是用戶操作的數(shù)據(jù)對象，視圖是數(shù)據(jù)操作的窗口，用戶通過它處理、查看數(shù)據(jù)。 對COM/OLE特性的封裝 OLE建立在COM模型之上，由于支持OLE的應(yīng)用程序必須實現(xiàn)一系列的接口（Interface），因而相當(dāng)繁瑣。MFC的OLE類封裝了OLE API大量的復(fù)雜工作，這些類提供了實現(xiàn)OLE的更高級接口。 對ODBC功能的封裝 以少量的能提供與ODBC之間更高級接口的C+類，封裝了ODBC API的大量的復(fù)雜的工作，提供了一種數(shù)據(jù)庫編程模式。從CWinAp

57、p、CDocument、CView、CMDIFrameWnd、CMDIChildWnd類對應(yīng)地派生出CTApp、CTDoc、CTView、CMainFrame、CChildFrame五個類，這五個類的實例分別是應(yīng)用程序?qū)ο?、文檔對象、視對象、主框架窗口對象和文檔邊框窗口對象。主框架窗口包含了視窗口、工具條和狀態(tài)欄。對這些類或者對象解釋如下。 （1）應(yīng)用程序 應(yīng)用程序類派生于CWinApp?；诳蚣艿膽?yīng)用程序必須有且只有一個應(yīng)用程序?qū)ο?，它?fù)責(zé)應(yīng)用程序的初始化、運行和結(jié)束。 （2）邊框窗口 如果是SDI應(yīng)用程序，從CFrameWnd類派生邊框窗口類，邊框窗口的客戶子窗口(MDIClient)直接

58、包含視窗口；如果是MDI應(yīng)用程序，從CMDIFrameWnd類派生邊框窗口類，邊框窗口的客戶子窗口(MDIClient)直接包含文檔邊框窗口。 如果要支持工具條、狀態(tài)欄，則派生的邊框窗口類還要添加CToolBar和CStatusBar類型的成員變量，以與在一個OnCreate消息處理函數(shù)中初始化這兩個控制窗口。 邊框窗口用來管理文檔邊框窗口、視窗口、工具條、菜單、加速鍵等，協(xié)調(diào)半模式狀態(tài)（如上下文的幫助(SHIFT+F1模式)和打印預(yù)覽）。 （3）文檔邊框窗口 文檔邊框窗口類從CMDIChildWnd類派生，MDI應(yīng)用程序使用文檔邊框窗口來包含視窗口。 （4）文檔 文檔類從CDocument類

59、派生，用來管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的變化、存取都是通過文檔實現(xiàn)的。視窗口通過文檔對象來訪問和更新數(shù)據(jù)。 （5）視 視類從CView或它的派生類派生。視和文檔聯(lián)系在一起，在文檔和用戶之間起中介作用，即視在屏幕上顯示文檔的容，并把用戶輸入轉(zhuǎn)換成對文檔的操作。 （6）文檔模板 文檔模板類一般不需要派生。MDI應(yīng)用程序使用多文檔模板類CMultiDocTemplate；SDI應(yīng)用程序使用單文檔模板類CSingleDocTemplate。 應(yīng)用程序通過文檔模板類對象來管理上述對象（應(yīng)用程序?qū)ο蟆⑽臋n對象、主邊框窗口對象、文檔邊框窗口對象、視對象）的創(chuàng)建。2.4基于OpenGL+MFC的三維模擬的編程環(huán)境配置1創(chuàng)建

60、MFC項目創(chuàng)建項目文件。選擇File|New菜單項，新建一個基于對話框的項目文件MyDlgOpenGL； 修改對話框模板。刪除對話框中的靜態(tài)文本，調(diào)整控件的位置；2. 配置基于OpenGLMFC的開發(fā)環(huán)境將glu.dll，glu32.dll，glut.dll，glut32.dll，opengl32.dll文件拷貝到操作系統(tǒng)WINNT/System32目錄下。將gl.h，glaux.h，glu.h，glut.h拷貝到Microsoft Visual Studio/VC98/Include/GL目錄中中。將glaux.lib，glu32.lib，glut32.lib，opengl32.lib拷貝到