基于OpenGL的六自由度機(jī)器手建模仿真

時(shí)間：2018-06-04 15:55:03

關(guān)鍵字：建模機(jī)器自由度

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[導(dǎo)讀]摘要：介紹了在交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/ CVI 下，利用OpenGL 圖形系統(tǒng)的功能來(lái)設(shè)置LabWindows/ CVI 與OpenGL 的圖形接口、建立OpenGL 光照、視圖和渲染描述表及利用OpenGL基本圖元建立六自由度機(jī)器手的三維模

摘要：介紹了在交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/ CVI 下，利用OpenGL 圖形系統(tǒng)的功能來(lái)設(shè)置LabWindows/ CVI 與OpenGL 的圖形接口、建立OpenGL 光照、視圖和渲染描述表及利用OpenGL基本圖元建立六自由度機(jī)器手的三維模型的新方法，并且利用OpenGL的雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的交互式界面。在此開(kāi)放的仿真系統(tǒng)下，可直觀(guān)、正確地模擬機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)情況，還能方便地進(jìn)行機(jī)器手運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真研究。

機(jī)器手三維建模仿真是機(jī)器人各項(xiàng)仿真中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)于機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真有重要的指導(dǎo)意義。LabWindows/ CVI(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CVI) 是美國(guó)NI 公司推出的交互式C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了語(yǔ)言的功能，為熟悉C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]。由于在CVI 中已經(jīng)集成了OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)，并且OpenGL編程類(lèi)似于C 編程，實(shí)際接口就是C，相對(duì)基于Visual C++基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC 和OpenGL 開(kāi)發(fā)的三維仿真平臺(tái)，在CVI 中利用可視化技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于OpenGL 的三維圖形更方便快捷，同時(shí)可在此三維模型平臺(tái)上方便地進(jìn)行軌跡規(guī)劃和控制算法等方面的仿真研究。

1 OpenGL的簡(jiǎn)介和基本操作過(guò)程

1.1 OpenGL簡(jiǎn)介

OpenGL圖形系統(tǒng)是圖形硬件的一種軟件接口。OpenGL是SGI公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)三維圖形和模型庫(kù)，具有高度的可移植性，可以在多種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，例如各種版本的Windows、Unix/ Linux 和Mac OS等，具有非?？斓匿秩舅俣?。它可以對(duì)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)進(jìn)行控制，產(chǎn)生逼真的圖像或者虛構(gòu)出現(xiàn)實(shí)世界沒(méi)有的圖像，是高性能圖形和交互式場(chǎng)景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。OpenGL 是一種高性能的開(kāi)放式圖形庫(kù)，它的圖形API以函數(shù)形式提供了115個(gè)核心庫(kù)函數(shù)、43個(gè)實(shí)用庫(kù)函數(shù)GLU、31個(gè)編程輔助庫(kù)函數(shù)GLAUX以及若干個(gè)X-Windows/MS-Windows專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)GLX/WGL。OpenGL提供了多種三維圖形的繪制方法，包括線(xiàn)框繪制方式、深度優(yōu)先方式、反走樣方式、平面明暗處理方式、光滑明暗處理方式、陰影和紋理方式、運(yùn)動(dòng)模糊方式、大氣環(huán)境效果、深度域效果[3]。OpenGL的這些功能可以實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果，創(chuàng)建交互性三維場(chǎng)景和視景動(dòng)畫(huà)。

1.2 OpenGL的基本操作過(guò)程

OpenGL對(duì)三維圖形操作可以歸納為：場(chǎng)景描述、設(shè)置光照、觀(guān)察場(chǎng)景、光柵化，這個(gè)過(guò)程與人們觀(guān)察世界的過(guò)程是一致的，其具體操作步驟如下：

(1) 根據(jù)基本圖形建立景物模型，并對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；

(2)把景物模型放在三維空間中合適的位置，并設(shè)置視點(diǎn)（Viewpoint），以觀(guān)察場(chǎng)景；

(3) 計(jì)算模型中所有物體的色彩，同時(shí)確定光照條件、紋理映射方式等；

(4) 把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)化至屏幕上的像素，即光柵化（Rasterization）。在這些步驟的執(zhí)行過(guò)程中，OpenGL 還可能執(zhí)行其他操作，如圖1所示。

程序從圖1的左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算處理，將幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖像像素?cái)?shù)據(jù)加工后生成待顯示的幀。另外，景物光柵化之后被送入幀緩存前，還可以根據(jù)需要對(duì)像素進(jìn)行操作。

2 在LabWindows/CVI中配置OpenGL

在CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用OpenGL開(kāi)發(fā)三維仿真圖形的關(guān)鍵是如何配置CVI和OpenGL的圖形接口。

2.1 添加與OpenGL相關(guān)的頭文件和庫(kù)文件

在CVI下創(chuàng)建一個(gè)新的工程文件：OGLHand.prj，在OGLHand.c文件首部添加4個(gè)頭文件：

#include

#include//基本庫(kù)

#include//實(shí)用庫(kù)

#include//輔助庫(kù)

在CVI編輯器的主菜單“edit”中選取“Add Files to Project”下的“Library”，在彈出的對(duì)話(huà)框里選取CVIsdklib中的3個(gè)庫(kù)文件：glu32.lib、glaux.lib和opengl32.lib并添加到當(dāng)前工程中。

2.2 設(shè)置CVI與OpenGL圖形接口

雖然OpenGL已經(jīng)內(nèi)嵌在CVI中，但是要讓CVI控件顯示OpenGL圖形，必須把CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件。需要在工程中添加函數(shù)cviogl.fp，其路徑為：CVItoolslibcustctrl。并在OGLHand.c文件首部添加：#include'cviogl.h'。

在主函數(shù)main()里調(diào)用函數(shù)將CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件并返回控件句柄OGLCtrl，再調(diào)用InitControl()函數(shù)初始化OpenGL屬性，最后調(diào)用int OGLRefreshGraph(int Panel_Handle,int OGL_Control_Id)函數(shù)及時(shí)更新OpenGL控件圖形的場(chǎng)景和圖形屬性。

3 基于LabWindows/CVI和OpenGL的機(jī)器手三維建模

3.1建立OpenGL光照、視圖及透視模式

視圖決定模型在場(chǎng)景中的位置，同時(shí)要選擇一個(gè)有利的觀(guān)察點(diǎn)來(lái)觀(guān)察場(chǎng)景。通過(guò)定義光照、視圖及透視模式就能在二維屏幕上顯示出立體的三維圖形，這些都放在InitControl()函數(shù)中定義，包括初始化系統(tǒng)光照和初始化視圖位置。

// 初始化系統(tǒng)光照

OGLSetCtrlAttribute(hPanel,this->hControl,

OGLATTR_LIGHTING_ENABLE, 1);