OpenGL技术在虚拟现实三维重建中的应用

第２９卷ＶＯ１．２９　第１８期　ＮＯ．１　８　计算机工程与设计　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　２００８年９月　Ｓｅｐｔ．２００８　ＯｐｅｎＧＬ技术在虚拟现实三维重建中的应用　张晓，　刘培玉　（山东师范大学信息科学与工程学院，山东济南２５００１４）　摘要：目前，利用专业三维建模软件很难实现虚拟现实所需要的交互性，同时，在ＯｐｅｎＧＬ建立的虚拟现实环境中，也很难　通过编程进行复杂的三维建模。因此通过研究比较现在常用的利用ＯｐｅｎＧＬ创建３Ｄ模型的方法，提出了一种新方法，即利　用３ＤＳＭａｘ进行复杂建模，并将模型导出为３ＤＳ格式，然后通过在ＯｐｅｎＧＬ下编程控制模型来达到对虚拟现实环境的仿真。　最后，利用该方法成功模拟了一个交通事故现场的虚拟环境，并可以对环境中的车辆等事物进行编程控制。　关键词：虚拟现实；三维重建；三维模拟；系统交互；交通事故　中图法分类号：ＴＰ３１１．１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—７０２４（２００８）ｌ８－４８７５—０２　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＯｐｅｎＧＬ　ｉｎ　３　Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ＬＩＵ　Ｐｅｉ—ｙｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５００１　４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｓｏｔ＇ｃｗａｒｅｓ　ｃａｎ’ｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ａ　ＶＲ　ｓｙｓｔｅｍ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯｐｅｎＧＬ，ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｆｉｃｕｌｔｆ　ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｓ　ｂｙ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈａｔ　ｉｓ，ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｍｏｄｅｌｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　３ＤＳＭａｘ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｌｆｅｓ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　３ＤＳ－ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄ　ｆｅｔｃｈｅｄ　ｉｎ　ＯｐｅｎＧＬ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｓ　ａｔｔａｉｎａｂｌｅ．Ａｔ　ｌａｓｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａ　ｔｒａｆｉｃ　ａｃｃｉｆｄｅｎｔ　ｓｃｅｎｅ　ｓｕｃｃｅｓｓ—　ｆｕｌｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ；３Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；３Ｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ；ｔｒａｆｉｃ　ａｃｃｉｄｅｎｔｆ　０引　言　虚拟现实技术（ＶＲ）起源于美事部门的战场模型系　这种方法的在普通电脑上也需要极高的软硬件代价，所以效　果也不是很理想。　通过研究发现，以上３种模式都有不同的缺憾，因此我们　提出了一种新的创建和拾取３Ｄ模型的方法，以便在虚拟现实　环境中能有较高的真实感，即利用３ＤＳＭａｘ软件创建复杂的　场景模型然后再利用ＯｐｅｎＧＬ进行编程控制。　统，主要是利用计算机来实现虚拟的艺术环境。我们通过计　算机来创建环境中的立体模型，并利用编码把它们转化成和　我们现实中一一样的可以感知的实物，这样就创建了一种沉浸　式交互环境，用户可以直接的观察，控制，接触和改变内部环　境。虚拟现实技术不同于传统的三维动画和ＣＡＤ模型创建，　而是一个开放的互动环境。具体的说，虚拟现实有３大特点：　浸沉感、交互性和构想性。　１　ＯｐｅｎＧＬ及其３Ｄ建模　ＯｐｅｎＧＬ是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形　标准，它是在ＳＧＩ等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以　ＳＧＩ的ＧＬ三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式　三维图形标准。ＯｐｅｎＧＬ实际上是一一个开放的三维图形软件　包，它于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程　序可以十分方便地在各种平台间移植；ＯｐｅｎＧＬ可以与Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保　ＶＲ的核心技术主要是动态环境的模型创建技术。目前　有３种方法在虚拟现实环境中创建三维模型：①借助高级图　形库（例如ＯｐｅｎＧＬ），利用了ＯｐｅｎＧＬ可以便捷的改变现场的　颜色，灯光，位置的优点。但是在创建较复杂的模型上比较困　难，因为ＯｐｅｎＧＬ只提供了较简单的几何模型”　。②通过ＶＲＭＬ　建模。ＶＲＭＬ可以快捷的在网络上发布，编程也比较简单。但　是当场景比较复杂的时候，程序的运行速度比较慢，因此在个　人电脑上很难展示　较好的效果。⑨利用专业的建好的效果，　收稿日期：　２００７－０９—２６　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｘａｌｉｃｅｊｕｅ＠１６３．ｃｏｍ　基金项目：　山东省科技攻关基金项目（２００６ＧＧ２２０１０３１）。　证算法的正确性和可靠性；ＯｐｅｎＧＬ使用简便，效率高　。　ＯｐｅｎＧＬ虽然可以进行图形的绘制、移动、旋转等操作，但　是在物体造型方面，并没有提供三维模型的高级命令，只能以　作者简介：　张晓（１９８３－－），ＬＵ东烟台人，女，硕士，研究方向为虚拟现实、三维重建；　刘培玉（１９６０－－），男，教授，博士生导师，研究方向为　虚拟现实、　网络信息安全。　４８７５－——　——维普资讯 http://www.cqvip.com

顶点为图元，由点构成线，由线及其拓扑结构构成多边形，然　后由点、线、面组成想要绘制的形体。这种造型模式比较灵　数据的读取。读取的方式是从模型文件中读取一个块，根据　块ＩＤ来判断块的功能信息，然后根据块ＩＤ进行相应的处理。　在块处理过程中，比如主编辑块，也是通过相同的方式，读取　活，对简单、规则的形体尚可适用，但对复杂、不规则形体工作　量极大且复杂，并且当我们需要得到较好的视觉演示效果的　时候，很容易出错０　。为了解决这个问题，我们在程序中使用　３ＤＭａｘ绘制３ＤＳ格式的模型，再将它导入到我们的ｖＣ＋＋程　序中，利用ＯｐｅｎＧＬ函数库，来对这些模型进行控制，例如旋　转、移动等。这样，我们既可以直观、方便的进行场景的建模，　又可以通过编程对模型进行控制。　目前，基于ＯｐｅｎＧＬ的模型创建主要是通过简单几何模　块的组合，ＮＵＲＢＳ建模和３ＤＭａｘ建模来实现。由于前两种　方法表现欠佳，所以最后一种方法目前使用最广。因此我们　利用３ＤＭａｘ建模，并将它转换为ＯｐｅｎＧＬ可以理解并控制的　３ｄｓ文件。　３ＤＭａｘ是目前最流行的三维建模和动画制作软件，它的　可视化编辑环境可以很方便的修改模型。利用３ＤＭａｘ我们　可以创建出很复杂的模型，例如飞机、汽车等，而且我们还可　以很方便的修改它的材质信息，来达到不同的演示效果。创　建完模型后，我们可以把它导入为３ＤＳ格式，然后加入到我们　利用ＯｐｅｎＧＬ创建的场景中去。　２在ＯｐｅｎＧＬ中导入３ｄｓ文件　３ｄｓ文件是基于“块”存储的，这些块描述了诸如场景数　据，每个视点的状态、材质、网格数据等信息。每个块都包含　一个ＩＤ和下一个块的偏移量。由于Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司并没有发　布关于３ｄｓ文件格式的官方文档，所以无法确定所有块的功　能。但是，根据这种块结构，尽管不理解某个块的功能，或者　对当前的块并不感兴趣，也可以很容易的跳过它，处理下一个　块。同时，跟许多文件格式类似，为了读取方便，３ｄｓ文件中的　数据的存储方式是Ｉｎｔｅｌ式的，也就是说是高位放在后面，低位　放在前面。　在３ｄｓ文件中，三维模型是基于块的层次结构进行存储　的　。每个块用ＩＤ来标识其功能含义，用长度来标识本块　大小，即下一块的起始位置的偏移字节数因此设计数据结　构如下：　Ｓｔｒｕｃｔ　ｔＣｈｕｎｋ｛　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ｉｎｔ　ＩＤ；／／块的ＩＤ　ｎｕｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ　ｌｅｎｇｔｈ；／／块的长度　ｎｕｓｉｎｇｅｄ　ｉｎｔ　ｂｙｔｅｓｒｅａｄ；／／需要读的块数据的字节数　）　块ＩＤ是用来标识块功能含义的，在程序中将块ＩＤ定义　成宏，便于程序的理解和编写，也有利于提高程序的可读性。　几个主要的块ＩＤ宏定义如下：　＃ｄｅｆｎｉｅ　ＭＡＩＮ３ＤＳ　０ｘ４Ｄ４Ｄ／／主块　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＥＤＩＴ３ＤＳ　０ｘ３Ｄ３Ｄ／／主编辑块　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＥＤＩＴ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　０ｘＡＦＦＦ／／材质块　＃ｄｅｆｎｉｅ　ＥＤＩＴ　ＯＢＪＥＣＴ　０ｘ４０００／／物体块　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＯＢＪ　ＴＲＩＭＥＳＨ　０ｘ４１００／／网格块　由于３ｄｓ文件里采用的是块结构的组织方式，并且是块　与块之间存在嵌套的关系，所以我们对３ｄｓ文件中的三维模型　－——４８７６・——　一个子块，判断块信息，再进行相应的数据提取和存放处理。　主要的读取过程的流程图如图１所示。　图１　３ＤＳ文件处理流程　其中面信息和材质信息的数据结构设计为如下。面结　构体：　ｓｔｒｕｃｔ　ｔＦａｃｅ｛　ｉｎｔ　ｖｅｒｔｌｎｄｅｘ［３］；／／顶点索引　ｉｎｔ　ｃｏｏｒｄｌｎｄｅｘ［３］；／／纹理坐标索引　｝；　材质信息结构体：　ｓｔｒｕｃｔ　ｔＭａｔｅｒｉａｌｌｎｆｏ｛　ｃｈａｒ　ｓｔｒＮａｍｅ［２５５］；／／纹理名称　ｃｈａｒ　ｓｔｒＦｉｌｅ［２５５］；／／纹理文件名称　ｌｆｏａｔ　ｃｏｌｏｒ［３］；／／对象的ＲＧＢ颜色　ｉｎｔ　ｔｅｘｕｒｅＩｄ；／／纹理ＩＤ　ｌｆｏａｔｕＴｉｌｅ；／／ｕ重复　ｌｆｏａｔｖＴｉｌｅ；／／ｖ重复　ｌｆｏａｔｕＯｆｆｓｅｔ；／／ｕ纹理偏移　ｌｆｏａｔｖＯｆｆｓｅｔ；／／ｖ纹理偏移　｝；　再现三维模型时，遍历模型中的所有物体对象，每个物体　对象都是通过三角形的面信息构成的，而且三角形的面信息　中保留了物体的材质信息，比如纹理坐标、颜色等，因此通过　再现所有的物体的所有的三角形面，就可以在ＯｐｅｎＧＬ的三维　空间中再现出三维模型，然后利用ＯｐｅｎＧＬ中的函数库，对模　型进行一系列的移动旋转等操作　。在ＯｐｅｎＧＬ程序中，我们　还需要加入导入３ＤＳ文件的代码如下：　Ｂｏｏｌ　Ｃｌｏａｄ３ＤＳ：：Ｉｍｐｏｒｔ３ＤＳ（ｔ３ＤＭｏｄｅｌ　ｐＭｏｄｅｌ，ｃｈａｒ　ＳｔｒＦｉ—　ｌｅＮａｍｅ）；　｛　ｃｈａｒ　ｓｔｒＭｅｓｓａｇｅ［２５５］＝｛Ｏ｝；／／打开文件　ｍ　ＦｉｌｅＰｉｎｔｅｒ＝ｆｏｐｅｎ（ｓｔｒＦｉｌｅＮａｍｅ，＂ｒｂ”）；／／确保正确的指向　文件　ｉｆ（１　ＭＦｉｌｅＰｉｏｎｔｅｒ）　（下转第４８８０页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ［ｈ，Ｐ，ｋｓｓｔａｔ］＝ｋｓｔｅｓｔ２（（ＳｕｍＡｌ】Ａ，Ｓｕｍ＿ＡｌＬＢ，０．Ｏ５））；％Ｋｏ・　朱伟民．实用试卷成绩统计分析【Ｊ］．中国教育技术装备，２００６，　（５）：１３．１５．　ｌｍｏｇｏｒｏｖ—Ｓｍｉｍｏｖ检验　５结束语　本文给出一种基于ＤＤＥ协议实现Ｅｘｃｅｌ与Ｍａｔｌａｂ中的数　金敏．如何进行考试成绩的统计分析［Ｊ】．桂林航天工业高等专　科学校学报，２００５，３９（３）：４０－４２．　梁庚，白焰，李文．基于Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＤＤＥ的客户／服务器应用开发　［Ｊ］．计算机工程与设计，２００４，２５（５）：７３６．７３９．　据共享，进而完成试卷深度分析的设计思想及应用实例，反映　借助Ｍａｔｌａｂ强大的数算处理功能，可大大降低教学管理　人员的工作强度，为改进考试管理工作，提高命题质量，最终　实现教学管理的科学化与规范化提供了一种方便的途径。　徐江华，孙荣，邵惠鹤．基于组态王、Ｅｘｃｅｌ和Ｍａｔｌａｂ的ＰＩＤ自　整定仿真软件［Ｊ］．计算机工程，２００３，２９（３）：２７．２９．　伯晓晨，李涛，刘路，等．Ｍａｔｌａｂ工具箱应用指南一信息工程篇　［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０００．　陈桂明，戚红雨，潘伟，等．应用Ｍａｔｌａｂ数理统计（６．ｘ）【Ｍ］．北京：　科学出版社，２００２．　参考文献：　［１】　金玉章．实用教育统计与测量［Ｍ】．北京：教育科学出版社，１９９８．　（上接第４８７６页）　｛　ｓｐｒｉｎｔｆ（ｓｔｒＭｅｓｓａｇｅ，＂Ｕｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｉｆｎｄ　ｔｈｅ　ｉｆｌｅ：％ｓ！”，ｓｔｒ　ＦｉｌｅＮａｍｅ）；　；　ＭｅｓｓｓａｇｅＢｏｘ（ＮＵＬＬ，ｓｔｒＭｅｓｓａｇｅ，＂Ｅｒｒｏｒ＂，ＭＢＯＫ）ｒｅｔｕｒｎ　ｆａｌｓｅ；　）　／／读入第一块代码，并判断是否为３ｄｓ格式　ＲｅａｄＣｈｕｎｋ（ｍ　ＣｕｒｒｅｎｔＣｈｕｎｋ）；　，／确保读入的是３ｄｓ文件　｛　ｓｐｒｉｎｔｆｓｔｒＭｅｓｓａｇｅ，＂Ｕｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｌｏａｄ　ＰＲＩＭＡＲＹ　ｃｈｕｎｋ　ｆｒｏｍ　＿＿　图２　事故发生前俯视图　图３　事故发生时侧视图　所降低，因此本系统对设备的硬件配置要求较高。　４结束语　为了解决虚拟现实环境中的三维环境创建和交互问题，　本文提出了一种新的场景创建方法，即先利用３Ｄｍａｘ创建模　型，再利用ＯｐｅｎＧＬ进行编程，充分结合了二者的优点，达到　了较好的实验效果，可以实现精确的仿真和互动。同时，由于　ｉｆｌｅ：％！”，ｓｔｒＦｉｌｅＮａｍｅ）；　ＭｅｓｓｓａｇｅＢｏｘ（ＮＵＬＬ，ｓｔｒＭｅｓｓａｇｅ，＂Ｅｒｒｏｒ＂，ＭＢ一０Ｋ）；　）；　／／提取数据，ＰｒｏｃｅｓｓＮｅｘｔＣｈｕｎｋ０是一段循环　这些操作没有改变３ＤＳ文件格式，因此这些技术具有很强的　通用性，可以集成到其它多种软件平台上进行使用。　∥利用下面的这段循环，来创建物体　ＰｒｏｃｅｓｓＮｅｘｔＣｈｕｎｋ（ｐＭｏｄｅｌ，ｍＣｕｒｒｅｎｔＣｈｕｎｋ）；　—／／读入整个３ｄｓ文件后，计算顶点法向量　ＣｏｍｐｕｔｅＮｏｒｍａｌｓ（ｐＭｏｄｅ１）；　参考文献：　【１］　赫恩．计算机图形学［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００５．　［２］　高青风，程国全．ＯｐｅｎＧＬ三维高精度仿真时空矛盾环节方法　［ＪＪ．工程图学学报，２００７（３）：５７．６０．　【３］　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｐ，Ｃｏｎｔｅｒｏ　Ｍ，Ｃｏｎｅｓａｃ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｆｏｒ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｂｙ　ｓｋｅｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕ—　ｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２００４，２８（６）：９５５．９７９．　，／释放内存　ＣｌｅａｎＵｐ（）；　ｒｅｔｕｌＩｌ　ｔｒｕｅ；　）　３软件开发　利用本文中介绍的方法，我们开发了一套模拟交通事故　【４］　尹士伟，张光年，郭新宇．一种控制３ｄｓ模型的新方法的研究与　实现［Ｊ１．微计算机信息，２００７，２３（３）：３０７—３０８．　［５］　殷素峰．在ＯｐｅｎＧＬ环境下开发３ｄｓ文件浏览器［Ｊ］．工程图学　学报，２００５（６）：２２—２５．　现场的虚拟现实系统。我们利用３ＤＭａｘ构建车辆和道路的　模型，并导出为３ｄｓ格式，然后在ＶＣ十＋中编程读取该文件，从　而实现出了如上图所示的较真实的场景。在程序中，我们利　用了动画的原理，通过变化每一帧中车辆的位置，实现了车辆　的运动”　。图２、图３模拟了一次交通追尾的事故图片，并通过　视角表换提供了不同角度的视图模式　。本系统可以用来直　观的演示与理解事故现场的车辆运行情况，从而帮助工作人　员验证事故分析的结果。通过实验我们也发现，当调入的３Ｄ　模型更复杂、精确时，占用系统资源也将增加，运行速度也有　・——【６］　杜霄，唐涛．三维视景仿真中动态模型的建立［Ｊ】．微计算机信息，　２００６（１）：２４８—２５０．　［７】　和平鸽工作室．ＯＰＥＮＧＬ三维图形系统开发与实用技术［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，重庆大学出版社，２００３．　［８］　Ｊｉｎ　Ｈ，Ｓｏａａｏ　Ｓ，Ｙｅｚｚｉ　Ａ　Ｊ．Ｍｕｌｔｉ．ｖｉｅｗ　ｓｔｅｒｅｏ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ　ｏｆ　ｄｅｎｓｅ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｐｐｅａｒａｎｃｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｖｉｓｉｏｎ，２００５，　６３（３）：１７５．１８９．　４８８０・——