摘 要：介紹了OpenGL和Matlab2009a各自的特點，在結合各自特點基礎上,，建立了基于二者的虛擬現實三維建模開發(fā)平臺,；以建立的虛擬現實建模開發(fā)平臺為例，對比已有的使用Matlab外部接口的方法,，證明了基于OpenGL和Matlab開發(fā)方法的優(yōu)越性和有效性,。
關鍵詞：OpenGL；Matlab,；三維建模,；虛擬現實
VR(Virtual Reality)技術的主要目標之一是允許用戶以盡可能自然的方式與虛擬世界直接交互?？梢院喢鞫x：虛擬現實是計算機生成的給人多種感官刺激的虛擬世界(環(huán)境）,，是一種高級的人機交互系統[1]。近年來,，虛擬現實的概念已經深入人心,因此,，作為虛擬現實技術的重要環(huán)節(jié)——三維物體的建模技術成了近幾年的研究熱點。
但是虛擬現實中物體對象的繪制和運動,，涉及到大量的數學運算,，特別是矩陣運算。作為圖形硬件的軟件開發(fā)接口OpenGL已經成為事實的工業(yè)標準。在選用OpenGL的基礎上,，現有的建模方法要么單獨利用高級語言,；要么需要復雜的設置利用Matlab和其他高級語言的接口進行混合編程；要么算法方面利用Matlab進行仿真,，實際構建虛擬環(huán)境時再用其他高級語言另起爐灶構建平臺,，增加了開發(fā)的復雜度[2-4]。本文提出一種新的基于OpenGL和Matlab進行建模的方法,，它充分利用了Matlab的高速算法驗證優(yōu)勢和OpenGL的三維建模優(yōu)勢,。在本文創(chuàng)作時，國內還幾乎沒有介紹相似方法的文獻公開發(fā)表,。本文提出的開發(fā)方法僅在2009年3月6日發(fā)布的最新版本Matlab2009a或后續(xù)版本平臺上可以實現,。
1 Matlab、OpenGL和Tao介紹
本文實現方法選用Matlab和Tao類庫中的OpenGL實現作為系統實現的軟件平臺,。
1.1 OpenGL簡介
OpenGL是由美國SGI公司推出的開放式圖形硬件的軟件開發(fā)接口(目前由Khronos小組負責）,，OpenGL獨立于窗口系統和操作系統，在各種平臺之間方便移植,，能靈活方便地實現二維和三維的高級圖形技術,。它提供了建模、變換,、光照處理,、色彩處理、動畫以及其他更先進的功能,，例如紋理映射,、運動模糊和霧化效果等，為實現逼真的三維繪制效果及建立交互式三維場景奠定了良好的基礎,。OpenGL以其高性能的交互式三維圖形建模能力和易于編程開發(fā)等優(yōu)越性,，已經成為一種事實高性能圖形和交互性場景處理的工業(yè)標準，是從事三維圖形開發(fā)工作的必備工具[4],。
OpenGL必須依賴于一定的軟件開發(fā)環(huán)境才能進行軟件開發(fā),，目前幾乎所有的應用程序開發(fā)工具都支持OpenGL的集成，但是絕大部分開發(fā)人員都出于執(zhí)行效率考慮而采用C/C++等語言平臺作為開發(fā)工具,。
1.2 Matlab簡介
Matlab由美國MathWorks開發(fā)推出的,，作為科學計算應用軟件的突出代表，已發(fā)展成為應用學科計算機輔助分析,、設計,、仿真及教學不可缺少的基礎軟件。在Matlab環(huán)境中進行動態(tài)仿真,，用戶可借助Simulink軟件包方Matlab作為工程計算及數據分析軟件,，它的應用范圍涵蓋了當今所有的工業(yè),、電子、醫(yī)療,、建筑等各個領域,。通過Matlab可以在短時內完成復雜的科研難題，能迅速地測試構思,，綜合評測系統性能,，并能快速設計出更多解決方案確保更高的技術要求。Matlab還有出色的圖形處理功能,，三維仿真形象逼真，是優(yōu)秀的動態(tài)仿真軟件[5],。
1.3 Tao類庫簡介
Tao框架類庫是為多媒體開發(fā)而產生的一個跨平臺的類庫,，可以運行在Windows和Linux平臺。它基于著名的.NET和Mono項目,。其最新版本是2.1.0,，內部集成了Tao.OpenGl 2.1.0.12、Tao.Platform.Windows 1.0.0.5,、Tao.FreeGlut 2.4.0.2等重要的類庫,為本文開發(fā)方法的實現提供了基礎,。
2 基于OpenGL和Matlab的建模過程
2.1 編程環(huán)境設置
傳統上采用Visual C++結合三維圖形開發(fā)接口OpenGL作為軟件開發(fā)平臺，設置包括添加OpenGL的4個靜態(tài)庫文件gluax.lib,、glu32.lib,、glut32.lib、opengl32.lib,；然后在視圖類的cpp文件中加入以上靜態(tài)庫的頭文件： gl\gl.h,、gl\glaux.h、gl\glut.h,。由于微軟提供的OpenGL版本較低,，可能有部分功能無法使用，還需要手動升級庫文件,，其設置比較繁瑣,。下面詳細分析在Matlab2009a平臺上設置Tao.OpenGl并進行開發(fā)的過程。
在當前路徑中建立TaoLight文件夾,，并將Tao.OpenGl.dll和Tao.Platform.Windows.dll復制到該文件夾中,；建立Functions文件夾，放置配置文件及自編的函數,。為了提高程序的可移植性,，把程序集的動態(tài)鏈接庫放入自建文件夾。更一般的方法是到http://www.taoframework.com/下載Tao Framework 2.1.0并安裝,。
(1)建立LoadTaoOpenGl的M文件,，寫入以下內容[6]：
% 設置TAO OpenGL 程序集%
functionname='LoadTaoOpenGl.m';
functiondir=which(functionname);
%得到當前目錄%
functiondir=functiondir(1:end-length(functionname));
disp('Ignore next 2 warnings (bug in R2009a)');
NET.addAssembly([functiondir '/TaoLight/Tao.OpenGl.dll']);
NET.addAssembly([functiondir '/TaoLight/Tao.Platform.Windows.dll']);
disp('Tao OpenGL .NET assemblies loaded');
% 添加函數和數據文件路徑%
addpath([functiondir '/Functions']);
addpath([functiondir '/ExampleData']);
disp('function and example data Path added');
(2)在Functions文件夾中編制OpenGL_Window函數，進行一些環(huán)境設置，例如完成窗口綁定及鼠標操作的映射設置,。綁定鼠標移動操作的代碼如下：
addlistener(simpleOpenGlControl1,'MouseMove',eval(['@(src,evnt)OpenGL_Window(''MouseMove'',src,evnt,' str_id ')']))主要參考Tao類庫的說明文檔,、微軟的MSDN和Matlab的用戶手冊，這里不再詳述,。
(3)在Functions文件夾中編制OpenGL_Matlab_Figure函數,，除進行相關的圖形控制設置外還進行以下操作：
添加必須的 Windows 程序集：
NET.addAssembly('System');
NET.addAssembly('System.Windows.Forms');
創(chuàng)建一個新的窗口(.NET window):
Form1=System.Windows.Forms.Form;
Form1.Width=data.Width;
Form1.Height=data.Height;
Form1.Visible=false;
Form1.Text='SWUST-邵延華'；
//所創(chuàng)建窗體的標題條
為.NET窗口創(chuàng)建一個OpenGL 控制集：
simpleOpenGlControl1 = Tao.Platform.Windows.SimpleOpenGlControl;
設置OpenGL 控制集simpleOpenGlControl1的參數：
simpleOpenGlControl1.AccumBits = 0,；
//accumulation buffer depth
simpleOpenGlControl1.AutoCheckErrors = false;
simpleOpenGlControl1.AutoFinish = false;
simpleOpenGlControl1.AutoMakeCurrent = false;
simpleOpenGlControl1.AutoSwapBuffers = false;
simpleOpenGlControl1.BackColor = System.Drawing.Color.Black;
simpleOpenGlControl1.ColorBits = 32,；
//color buffer depth
simpleOpenGlControl1.DepthBits = 24；
//depth buffer (Z-buffer) depth
simpleOpenGlControl1.Location = System.Drawing.Point(1, 1);
simpleOpenGlControl1.Name = 'simpleOpenGlControl1';
the height and width of the control:
simpleOpenGlControl1.Size = System.Drawing.Size(Form1.Width-17, Form1.Height-38);
simpleOpenGlControl1.StencilBits = 0; //stencil buffer
the tab order of the control within its container :
simpleOpenGlControl1.TabIndex = 0;
初始化控制集：
simpleOpenGlControl1.InitializeContexts();
添加控制集到圖形實例:
Form1.Controls.Add(simpleOpenGlControl1);
等待初始化：
pause(1)
為使用Tao.Opengl類庫的Opengl函數,，載入所需要的程序集:
import Tao.OpenGl.*
2.2 三維物體顯示過程
將所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中的三維物體在計算機屏幕上顯示出來是一個從三維空間到二維平面的投影過程,，一般都要經歷下面一系列步驟[3]：視點變換(Viewing Transformation），即調整視點的位置,；模型變換(Modeling Transformation）,，即對模型進行旋轉、平移和縮放,；投影變換(Projection Transformation）,，即把三維模型投影到二維屏幕上的過程；視口變換(Viewport Transformation）,，即規(guī)定了屏幕上顯示場景的位置和尺寸,。
通過上面的幾個步驟，一個三維空間里的物體就可以在二維的電腦屏幕上正確顯示了,。三維物體的顯示過程如圖1所示,。
2.3 快速繪制技術
在計算機中模擬復雜場景動作時，會降低渲染速度,，因而造成畫面的不連續(xù),。原因有很多，本文系統的延時主要是當仿真機器人運動,、碰撞和其他場景更新時,，會出現處理延遲。這是因為機器人運動的過程中,，每一個關節(jié)都涉及局部坐標和全局坐標的相互轉化,，需要引入大量的矩陣運算。此情況下,，使用有關的快速繪制方法以幫助提高渲染速度顯得尤為重要,。
目前復雜場景快速繪制主要有下面三大類方法：可見性判斷、層次細節(jié)LOD(Level of Detail)和基于圖像的繪制,。
不可見面的剔除是根據場景中幾何對象的空間關系,，對物體之間的遮擋關系進行估計,。可以簡單分為三大類：背面剔除(Back-Face Culling),、視域剔除(View Frustum Culling)和遮擋剔除(Occlusion Culling),，這個過程在真正的消隱處理之前，對不可見面的大量刪除省去了很多后期處理時間,。避免繪制無用的,、對于視點而言的不可見區(qū)域。本文使用可見性判斷來加速繪制場景,。
2.4 程序實例
通過上文所述設置,，編寫M文件調用OpenGL相關庫函數，M文件主要功能有：設置背景色,、設置顏色和深度緩存,、設置深度測試、讀取圖像,、啟用紋理和光照、繪制三維模型,。通過圖1所示變換把現實世界中的三維物體以二維的平面形式顯示在計算機屏幕上,，繪制出逼真的三維實體模型，如圖2所示,。其操作和其他高級語言平臺利用OpenGL建?；疽恢拢诖瞬辉僭斒?。
三維建模對提高虛擬環(huán)境的真實感有至關重要的作用,，是構建虛擬環(huán)境最重要環(huán)節(jié)。本文所提出的一種新的三維建模方法,，可有效地應用于虛擬現實環(huán)境的構建和計算機圖形學算法的驗證,，基于Matlab和OpenGL，通過運用快速繪制算法,，建立三維仿真場景,。仿真結果表明，本方法能充分利用Matlab高速數學運算,、便利圖形場景繪制和事實的工業(yè)標準OpenGL,，無論從降低開發(fā)設置的難度上還是對新算法開發(fā)驗證效率上都增強了三維建模的效力。所以,，對三維建模而言,，本方法極具應用價值。
參考文獻
[1] 石教英.虛擬現實基礎及實用算法[M].北京:科學出版社,2002.
[2] 石瓊,沈春林,譚皓.基于OpenGL的三維建模實現方法[J].計算機工程與應用, 2004,40(18) :122-124.
[3] 翟雪琴,郝礦榮,曹自洋.基于OpenGL的工業(yè)機器人動力學仿真的研究[J].機床與液壓,200,41(17):14-15.
[4] 徐波譯.OpenGL編程指南(第六版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.
[5] MATLAB builder NE user’s guide version 3.1 (Release 2009a).The MathWorks, Inc．2009:44-47.