談交互式虛擬三維環(huán)境的設計

O 引言

　　虛擬現(xiàn)實，是指用計算機生成的一種虛擬環(huán)境，它能使人們進入一個三維的、多媒體的虛擬世界，通過一些操作界面，與其中的虛擬對象進行交互，再配合各種傳感器和機械部件，給人們帶來一種身臨其境的感受。隨著計算機軟硬件的發(fā)展以及圖形處理能力的增強，虛擬現(xiàn)實技術在軍事、醫(yī)療、教育、工業(yè)以及游戲中的應用已經(jīng)越來越廣泛。

　　虛擬三維環(huán)境是虛擬現(xiàn)實技術中一個極其重要的部分，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)的三維引擎價格不菲，并且其主要面向三維游戲市場。所以，如果要解決的問題不是特別復雜，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(以下簡稱為 vC++6．0)是由微軟公司出品的功能強大的可視化開發(fā)平臺之一，我們可以利用它在 Windows 操作系統(tǒng)上完成應用程序的創(chuàng)建、編碼、測試、完善等各個階段的工作。

　　I．2  OpenGL

　　OpenGL(開放性圖形庫 Open Graphics Library)是一個3DAPI，它獨立于硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，是跨平臺的“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)建實時 3D圖形，主要用于圖形專業(yè) 領域 ，已經(jīng) 成 為工 業(yè) 標準，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模型和動畫的軟件，使用它可以制作出栩栩如生的人物、動物、植物和建筑物等各種 3D模型和動畫。我們使用 3ds max 7來制作一些動植物、建筑物的 3D模型，并將其導出為 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模型和動畫，其特長在于對 3D 自然環(huán)境的模擬。在虛擬三維環(huán)境中，天空的真實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虛擬三維場景。

　　2 虛擬場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)建一個立方體 ，調(diào)整其邊長到一個比較大的值(比如 2000米)我們把這個立方體稱為天空盒。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 ，然后從彈出的對話框中選擇一種你需要的大氣環(huán)境(當然你也可以使用其編輯功能創(chuàng)建自己想要的大氣效果)，然后點擊文件菜單下的“導出天空”選項，將大氣環(huán)境作為位圖導出，再使用圖片處理工具把整幅位圖分解為與立方體六個面相對應的六幅位圖；再次進入 3ds max 7，選中剛才的立方體，使用材質(zhì)編輯器把剛才導出的天空圖片賦予立方體，進行一些調(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 建筑物等各種實體的模型

　　根據(jù)需要，還應在場景中添加一些建筑物之類的三維模型，當然了，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模型要在程序中實時繪制，因此，在制作模型時，不能一味追求精細，應該有意識地控制多邊形的數(shù)量，以提高程序運行時的渲染速度。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 ，即使場景中有一大片樹林，也不會影響渲染的速度。制作植物圖片時 ，首先應選擇合適 的植物圖片(最好是正面平視的照片)對圖片做一些簡單的處理 ，使其滿足以下幾個要求：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)建不再采用預先建模的方式，而采用在程序中實時繪制的方法，便于在場景中漫游時檢測并計算出所處位置的地面高度。具體步驟如下：首先，建立一個三維浮點型數(shù)組來保存地形的頂點坐標值，三個分量分別為地形頂點的x、Y、z坐標；然后，我們再建兩個數(shù)組，分別用來保存頂點的索引值(整型)和曲面貼圖的平面坐標(浮點型)；接著 ，使用一段循環(huán)代碼來隨機生成地面的高度值，同時給三個數(shù)組賦值 ；最后，調(diào)用 OpenGL中的函數(shù) glEnableClientState()和glVertexPointev()來載入地形頂點坐標數(shù)組，凋用 glEnableClientState()和glTexCoordPointer()函數(shù)來載人頂點索引數(shù)組。這樣，地形的初始化工作就完成了，可以把這個過程寫成一個函數(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)境中運行，這個環(huán)境稱為 OpenGL框架。OpenGL框架還必須運行在 Windows應用程序框架 中。也就是說，首先要建立Windows應用程序框架，用它響應和處理各種消息和命令，然后再 建立 OpenGI 運行環(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應用程序框架

　　首先，在 VC十 +6．0中新建 一個 Win32應用 程序(Win32 Application)；然后，添加四個全局變量 htX2、hRC、hWnd和 hlnstance，分別用來保存設備描述表、著色描述表、窗口句柄和程序的實例句柄；接下來在應用程序中包含 g1．h,glu．h、glaux．h三個頭文件以及 opengl32．1ib、glu32．1ib、glaux．1ib三個靜態(tài)鏈接庫文件；最后，在程序中加入 winMain()函數(shù)和 WndProc()函數(shù)(具體方法請參考 MSDN)。其中，WinMain()函數(shù)是主程序的入口，我們在其中添加一些代碼創(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)，被程序反復執(zhí)行)，它用來監(jiān)聽并向 WndProc()函數(shù)傳遞 肖息。WndProc()是一個窗口回調(diào)函數(shù)，用來處理各種窗口消息并響應外部事件。這樣，一個基本的 Windows框架就建成了。

　　3．2 創(chuàng)建 OpenGL運行環(huán)境框架

　　步驟如下：1)對 OpenGL運行環(huán)境進行初始化設置；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 框架程序間的關系

　　winMain()函數(shù)是程序的入口，我們用它創(chuàng)建一個窗口并設置其大小和樣式。WndProc()回調(diào)函數(shù)會對“創(chuàng)建窗口”這個消息作出響應 ，馬上調(diào)用 OpenGL框架中的 SetPixelFomat()函數(shù)檢測機器對 OpenGL的支持情況，并安裝OpenGL顯示接口。當窗 口創(chuàng)建成功后，WndProc()函數(shù)對窗口尺寸變化消息作出響應，調(diào)用 OpenGL框架中的 gluPerspective()等函數(shù)對 OpenGL視 12I進行變換調(diào)整。Windows窗口生成后，就進入程序的主循環(huán)，在其中調(diào)用 DrawScene()函數(shù)繪制場景，同時監(jiān)聽和分配各種消息。程序退出時，調(diào)用 OpenGL中的 wglDeleteContext()函數(shù)來切斷 OpenGL與 Windows窗口的連接。

　4 虛擬三維場景的顯示和人機交互

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

　　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，進行地形的初始化。編寫一個函數(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就能自動重新繪制地形了。

　　4．2 載入并顯示 3ds格式的模型文件

　　天空、建筑物等虛擬對象都是采用預先建模的方式創(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名字為“3ds．h”的頭文件，其對應的源文件叫做“3ds．cpp”，二者均可互聯(lián)網(wǎng)上找到。對每一個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，再調(diào)用顯示模型函數(shù)在 OpenGL環(huán)境中顯示相應的 3D模型。顯示模型函數(shù)的參數(shù)同時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完成，而顯示模型的函數(shù)應添加到 DrawScene()函數(shù)中。

　　4．3 載入并顯示植物

　　按照前面提到的方法，在虛擬三維場景中顯示一株植物實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。在虛擬三維場景中漫游時，我們知道自己的視線方向，也可以計算出自己所處的位置坐標，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景，更能以第一人稱參與其中，更加“真實”地體驗這個虛擬世界。

　　在現(xiàn)實中人們看到的畫面效果，主要取決于兩個方面：觀察點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()來改變在OpenGL場景中的觀察點的位置和視線方向，我們把這個函數(shù)添加到 DrawScene()函數(shù)中。在程序運行期間，通過使用鍵盤和鼠標等來改變觀察點坐標和視線方向。屏幕每次刷新時，改變函數(shù) gluLookAt()中的參數(shù)值 ，OpenGL就會用新的視角重新繪制屏幕上的畫面，從而產(chǎn)生在場景中漫游的效果。

　　到目前為止，一個簡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實用的虛擬三維環(huán)境的基礎模塊，我們可以在這個基礎上繼續(xù)豐富場景內(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)境的設計中，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)域分塊顯示技術來提高渲染速度，采用 M0D(分級顯示)技術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重復模型從而提高效率，使用粒子動畫來模擬爆炸、煙霧等場面，在程序中添加碰撞檢測的功能以符合物理原理，等等。

　　6 小結

　　計算機技術發(fā)展到今天，再也不能忽視虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的密切聯(lián)系，虛擬世界正在越來越真實地再現(xiàn)著現(xiàn)實世界中的一草一木。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感。OpenGL等技術的應用使得三維圖形技術在虛擬現(xiàn)實、三維仿真、模擬訓練、電子娛樂等領域得到了越來越廣泛的應用，一些平常無法實現(xiàn)或很難實現(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。它在帶給體驗者更加逼真的感受的同時，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。