談交互式虛擬三維環(huán)境的設(shè)計(jì)

O 引言

　　虛擬現(xiàn)實(shí)，是指用計(jì)算機(jī)生成的一種虛擬環(huán)境，它能使人們進(jìn)入一個(gè)三維的、多媒體的虛擬世界，通過一些操作界面，與其中的虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，再配合各種傳感器和機(jī)械部件，給人們帶來一種身臨其境的感受。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展以及圖形處理能力的增強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事、醫(yī)療、教育、工業(yè)以及游戲中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。

　　虛擬三維環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中一個(gè)極其重要的部分，雖然可以用現(xiàn)成的三維引擎來制作，但是由于絕大多數(shù)的三維引擎價(jià)格不菲，并且其主要面向三維游戲市場(chǎng)。所以，如果要解決的問題不是特別復(fù)雜，完全可以通過 自己編程并使用一些工具軟件來完成。

　　1 開發(fā)環(huán)境與軟件

　　1．1  Microsoft Visual C++ 6．0

　　Microsoft Visual C++6．0(以下簡(jiǎn)稱為 vC++6．0)是由微軟公司出品的功能強(qiáng)大的可視化開發(fā)平臺(tái)之一，我們可以利用它在 Windows 操作系統(tǒng)上完成應(yīng)用程序的創(chuàng)建、編碼、測(cè)試、完善等各個(gè)階段的工作。

　　I．2  OpenGL

　　OpenGL(開放性圖形庫 Open Graphics Library)是一個(gè)3DAPI，它獨(dú)立于硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，是跨平臺(tái)的“圖形硬件的軟件接口”，具有高度的可移植性。它包括了大量的繪圖和顯示函數(shù)，用于快速創(chuàng)建實(shí)時(shí) 3D圖形，主要用于圖形專業(yè) 領(lǐng)域 ，已經(jīng) 成 為工 業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)，目前的最新版本是OpenGL2．0。

　　1．3  3dsmax 7

　　3ds max 7是由Autcdesk公司出品的用于制作3D模型和動(dòng)畫的軟件，使用它可以制作出栩栩如生的人物、動(dòng)物、植物和建筑物等各種 3D模型和動(dòng)畫。我們使用 3ds max 7來制作一些動(dòng)植物、建筑物的 3D模型，并將其導(dǎo)出為 3ds文件，然后在虛擬三維環(huán)境中調(diào)用。

　　1．4  Vue 5 Infinite

　　Vue5 Infinite(以下簡(jiǎn)稱為 vue5)由e-on軟件公司出品，它也可以用來制作 3D模型和動(dòng)畫，其特長(zhǎng)在于對(duì) 3D 自然環(huán)境的模擬。在虛擬三維環(huán)境中，天空的真實(shí)感是影響視覺效果的重要因素之一，我們使用 Vue5的環(huán)境模擬功能制作出在各種大氣條件下的天空的圖片，然后把這些圖片作為虛擬三維環(huán)境中的“天空盒”的材質(zhì)貼圖，展現(xiàn)出逼真的大氣環(huán)境效果。另外，我們還可以使用 Vue5強(qiáng)大的地形編輯功能制作出一些不同特征的地形模型來充實(shí)虛擬三維場(chǎng)景。

　　2 虛擬場(chǎng)景中的三維模型的制作

　　2．1 天空盒模型

　　我們使用3ds max 7等工具軟件來制作虛擬三維場(chǎng)景中的3D模型等元素。首先從天空開始，打開 3ds max 7，創(chuàng)建一個(gè)立方體 ，調(diào)整其邊長(zhǎng)到一個(gè)比較大的值(比如 2000米)我們把這個(gè)立方體稱為天空盒。接著制作天空盒的材質(zhì)貼圖，也就是大氣環(huán)境的圖片。打開 Vue5，選擇“載人大氣”選項(xiàng) ，然后從彈出的對(duì)話框中選擇一種你需要的大氣環(huán)境(當(dāng)然你也可以使用其編輯功能創(chuàng)建自己想要的大氣效果)，然后點(diǎn)擊文件菜單下的“導(dǎo)出天空”選項(xiàng)，將大氣環(huán)境作為位圖導(dǎo)出，再使用圖片處理工具把整幅位圖分解為與立方體六個(gè)面相對(duì)應(yīng)的六幅位圖；再次進(jìn)入 3ds max 7，選中剛才的立方體，使用材質(zhì)編輯器把剛才導(dǎo)出的天空?qǐng)D片賦予立方體，進(jìn)行一些調(diào)整，天空盒的模型就完成了。最后一步就是把天空盒的模型導(dǎo)出為“3dS’’類型的文件，以便在程序中調(diào)用。

　2．2 建筑物等各種實(shí)體的模型

　　根據(jù)需要，還應(yīng)在場(chǎng)景中添加一些建筑物之類的三維模型，當(dāng)然了，這些模型也是我們使用 3ds max 7制作的，具體的制作方法這里不再贅述。但是要注意，制作的 3D模型要在程序中實(shí)時(shí)繪制，因此，在制作模型時(shí)，不能一味追求精細(xì)，應(yīng)該有意識(shí)地控制多邊形的數(shù)量，以提高程序運(yùn)行時(shí)的渲染速度。同樣，把制作好的模型保存為“3ds”類型的文件。

　　2．3 樹木等植物

　　一般采用 2D圖片的方法來顯示植物，這樣 ，即使場(chǎng)景中有一大片樹林，也不會(huì)影響渲染的速度。制作植物圖片時(shí) ，首先應(yīng)選擇合適 的植物圖片(最好是正面平視的照片)對(duì)圖片做一些簡(jiǎn)單的處理 ，使其滿足以下幾個(gè)要求：1)圖片尺寸為 2的 N次方(32、64…)；2)圖片的底色以及不需要顯示的地方為純黑色。以便在程序中將這些地方處理成透明狀態(tài)。最后，將圖片保存為“bmp”格式，虛擬三維場(chǎng)景 中的植物就做好了。

　　2．4 生成地形數(shù)據(jù)

　　地形的創(chuàng)建不再采用預(yù)先建模的方式，而采用在程序中實(shí)時(shí)繪制的方法，便于在場(chǎng)景中漫游時(shí)檢測(cè)并計(jì)算出所處位置的地面高度。具體步驟如下：首先，建立一個(gè)三維浮點(diǎn)型數(shù)組來保存地形的頂點(diǎn)坐標(biāo)值，三個(gè)分量分別為地形頂點(diǎn)的x、Y、z坐標(biāo)；然后，我們?cè)俳▋蓚€(gè)數(shù)組，分別用來保存頂點(diǎn)的索引值(整型)和曲面貼圖的平面坐標(biāo)(浮點(diǎn)型)；接著 ，使用一段循環(huán)代碼來隨機(jī)生成地面的高度值，同時(shí)給三個(gè)數(shù)組賦值 ；最后，調(diào)用 OpenGL中的函數(shù) glEnableClientState()和glVertexPointev()來載入地形頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組，凋用 glEnableClientState()和glTexCoordPointer()函數(shù)來載人頂點(diǎn)索引數(shù)組。這樣，地形的初始化工作就完成了，可以把這個(gè)過程寫成一個(gè)函數(shù)，名字叫做 lniin()，便于在程序中調(diào)用。

　　3 創(chuàng)建基于 OpenGL的應(yīng)用程序框架

　　OpenGL中所有的繪圖函數(shù)都必須在 OpenGL的環(huán)境中運(yùn)行，這個(gè)環(huán)境稱為 OpenGL框架。OpenGL框架還必須運(yùn)行在 Windows應(yīng)用程序框架 中。也就是說，首先要建立Windows應(yīng)用程序框架，用它響應(yīng)和處理各種消息和命令，然后再 建立 OpenGI 運(yùn)行環(huán)境 框架，并 在其中調(diào)用各種OpenOL繪 圖函數(shù) 。

　　3．1 創(chuàng)建 Windows應(yīng)用程序框架

　　首先，在 VC十 +6．0中新建 一個(gè) Win32應(yīng)用 程序(Win32 Application)；然后，添加四個(gè)全局變量 htX2、hRC、hWnd和 hlnstance，分別用來保存設(shè)備描述表、著色描述表、窗口句柄和程序的實(shí)例句柄；接下來在應(yīng)用程序中包含 g1．h,glu．h、glaux．h三個(gè)頭文件以及 opengl32．1ib、glu32．1ib、glaux．1ib三個(gè)靜態(tài)鏈接庫文件；最后，在程序中加入 winMain()函數(shù)和 WndProc()函數(shù)(具體方法請(qǐng)參考 MSDN)。其中，WinMain()函數(shù)是主程序的入口，我們?cè)谄渲刑砑右恍┐a創(chuàng)建 Windows窗口，并在 WinMain()函數(shù) 中使用PeekMessage()函數(shù)完成消息循環(huán)(即程序的主循環(huán)，被程序反復(fù)執(zhí)行)，它用來監(jiān)聽并向 WndProc()函數(shù)傳遞 肖息。WndProc()是一個(gè)窗口回調(diào)函數(shù)，用來處理各種窗口消息并響應(yīng)外部事件。這樣，一個(gè)基本的 Windows框架就建成了。

　　3．2 創(chuàng)建 OpenGL運(yùn)行環(huán)境框架

　　步驟如下：1)對(duì) OpenGL運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化設(shè)置；2)調(diào)用 OpenGL函數(shù)庫中的函數(shù)完成繪圖和顯示工作并刷新屏幕，可以把完成這些工作的代碼編寫成一個(gè)函數(shù)，命名為DrawScene()，以便在程序中調(diào)用；3)在程序退出之前釋放各種資源，斷開 OpenGL與Windows窗121的連接。

　　3．3 框架程序間的關(guān)系

　　winMain()函數(shù)是程序的入口，我們用它創(chuàng)建一個(gè)窗口并設(shè)置其大小和樣式。WndProc()回調(diào)函數(shù)會(huì)對(duì)“創(chuàng)建窗口”這個(gè)消息作出響應(yīng) ，馬上調(diào)用 OpenGL框架中的 SetPixelFomat()函數(shù)檢測(cè)機(jī)器對(duì) OpenGL的支持情況，并安裝OpenGL顯示接口。當(dāng)窗 口創(chuàng)建成功后，WndProc()函數(shù)對(duì)窗口尺寸變化消息作出響應(yīng)，調(diào)用 OpenGL框架中的 gluPerspective()等函數(shù)對(duì) OpenGL視 12I進(jìn)行變換調(diào)整。Windows窗口生成后，就進(jìn)入程序的主循環(huán)，在其中調(diào)用 DrawScene()函數(shù)繪制場(chǎng)景，同時(shí)監(jiān)聽和分配各種消息。程序退出時(shí)，調(diào)用 OpenGL中的 wglDeleteContext()函數(shù)來切斷 OpenGL與 Windows窗口的連接。

　4 虛擬三維場(chǎng)景的顯示和人機(jī)交互

　　在搭建好了應(yīng)用程序框架之后，我們就可以在其中加入繪制場(chǎng)景的代碼了。我們要在場(chǎng)景中繪制出天空、地面、植物和建筑物，從而逐步創(chuàng)造一個(gè)虛擬的三維環(huán)境，然后增加在其中漫游的功能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的交互。

　　4．1 繪制并顯示地形

　　在 OpenOL框架初始化之后需要調(diào)用 InitTerrain()函數(shù)來生成地形數(shù)據(jù)數(shù)組，進(jìn)行地形的初始化。編寫一個(gè)函數(shù)來繪制地形，命名為 DrawTerrain()，在其中調(diào)用 glDrawgle．ments()函數(shù)，通過繪制三角形帶的方式來繪制地形。如果地形有紋理，可以調(diào)用glBindTexture()函數(shù)給地面貼圖。把DrawTerrain()增加到 DrawScene()函數(shù)中，這樣在每次屏幕刷新時(shí)就能自動(dòng)重新繪制地形了。

　　4．2 載入并顯示 3ds格式的模型文件

　　天空、建筑物等虛擬對(duì)象都是采用預(yù)先建模的方式創(chuàng)建的，我們已經(jīng)將其統(tǒng)一保存為“3ds”格式的文件。我們還需要在程序中包含一個(gè)名字為“3ds．h”的頭文件，其對(duì)應(yīng)的源文件叫做“3ds．cpp”，二者均可互聯(lián)網(wǎng)上找到。對(duì)每一個(gè)3ds文件，可以先用 3ds．h文件中的載入函數(shù)將其調(diào)入程序，并為其分配各 自的編號(hào)，再調(diào)用顯示模型函數(shù)在 OpenGL環(huán)境中顯示相應(yīng)的 3D模型。顯示模型函數(shù)的參數(shù)同時(shí)定義了模型顯示的位置、方向和比例。載入模型的工作可以在程序初始化時(shí)完成，而顯示模型的函數(shù)應(yīng)添加到 DrawScene()函數(shù)中。

　　4．3 載入并顯示植物

　　按照前面提到的方法，在虛擬三維場(chǎng)景中顯示一株植物實(shí)際上是顯示一幅植物的圖片(而不是 3D模型)。我們先在程序中載入圖片，然后在屏幕上繪制四邊形，把植物的圖片作為貼圖顯示出來。在虛擬三維場(chǎng)景中漫游時(shí)，我們知道自己的視線方向，也可以計(jì)算出自己所處的位置坐標(biāo)，那么，就可以編寫一段代碼，讓具有植物紋理的四邊形每次重繪時(shí)都始終與我們的視線方向垂直，從而形成一種三維模型的效果。

　　4．4 添加漫游功能

　　完成了虛擬三維場(chǎng)景的創(chuàng)建和繪制以后，還需要給程序添加漫游功能。有了漫游功能，我們不但能夠看到虛擬三維場(chǎng)景，更能以第一人稱參與其中，更加“真實(shí)”地體驗(yàn)這個(gè)虛擬世界。

　　在現(xiàn)實(shí)中人們看到的畫面效果，主要取決于兩個(gè)方面：觀察點(diǎn)的位置和視線的方向。在 OpenGL中，也有類似于我們眼睛的東西，我們可以使用 函數(shù) gluLookAt()來改變?cè)贠penGL場(chǎng)景中的觀察點(diǎn)的位置和視線方向，我們把這個(gè)函數(shù)添加到 DrawScene()函數(shù)中。在程序運(yùn)行期間，通過使用鍵盤和鼠標(biāo)等來改變觀察點(diǎn)坐標(biāo)和視線方向。屏幕每次刷新時(shí)，改變函數(shù) gluLookAt()中的參數(shù)值 ，OpenGL就會(huì)用新的視角重新繪制屏幕上的畫面，從而產(chǎn)生在場(chǎng)景中漫游的效果。

　　到目前為止，一個(gè)簡(jiǎn)單的交互式虛擬三維環(huán)境就建成了，它可以作為任何一個(gè)實(shí)用的虛擬三維環(huán)境的基礎(chǔ)模塊，我們可以在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)豐富場(chǎng)景內(nèi)容，添加其它功能，逐步完善程序。

　　5 程序的優(yōu)化和其它功能的介紹

　　在虛擬三維環(huán)境的設(shè)計(jì)中，還有很多值得借鑒的方法。比如，用地形灰度圖來生成高度數(shù)據(jù)，使用區(qū)域分塊顯示技術(shù)來提高渲染速度，采用 M0D(分級(jí)顯示)技術(shù)加快貼圖顯示速度并產(chǎn)生較好的效果，用位圖字體、輪廓字體等顯示漢字，使用顯示列表顯示多個(gè)重復(fù)模型從而提高效率，使用粒子動(dòng)畫來模擬爆炸、煙霧等場(chǎng)面，在程序中添加碰撞檢測(cè)的功能以符合物理原理，等等。

　　6 小結(jié)

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，再也不能忽視虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的密切聯(lián)系，虛擬世界正在越來越真實(shí)地再現(xiàn)著現(xiàn)實(shí)世界中的一草一木。虛擬三維環(huán)境作為虛擬世界的主體，直接決定著虛擬世界的真實(shí)感。OpenGL等技術(shù)的應(yīng)用使得三維圖形技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、三維仿真、模擬訓(xùn)練、電子娛樂等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，一些平常無法實(shí)現(xiàn)或很難實(shí)現(xiàn)的自然環(huán)境和工作環(huán)境的模擬在虛擬世界中成了家常便飯。它在帶給體驗(yàn)者更加逼真的感受的同時(shí)，也大大降低了各種成本，提高了工作效率，有著廣闊的發(fā)展空間。