基于openGL的三维地形场景的生成

基于openGL的三维地形场景的生成

1、背景介绍 (3)

2、openGL中地形动态显示 (3)

3、程序的主要功能 (4)

3.1 三维地形的生成 (4)

3.2 天空盒的生成 (8)

3.3 树的生成 (9)

3.4 ３ＤＳ模型的读入 (11)

3.5 键盘交互实现漫游 (11)

3.6汉字的显示 (12)

4、总结 (13)

4.1 项目总结 (13)

4.2 小组成员分工 (14)

参考文献 (15)

1、背景介绍

地形是自然界最复杂的景物之一，对其三维显示和漫游一直是计算机图形学、地理信息系统、数字摄影测量和遥感研究的热点之一。但由于受地形结构复杂，数据量大等条件的制约，要实时模拟具有真实感的大范围三维地形，最大的难点是，如何精简并有效地组织地形数据，以达到高速度、高精确度的可视化目的。

openGL是开放式图形工业标准，是绘制高度真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能开发软件包。

利用openGL进行地形动态显示的基本框架如图1所示：

图1 openGL地形现实基本框架

2、openGL中地形动态显示

利用openGL进行地形的三维可视化，包含以下几个步骤：

（1）openG L模型映射：利用openGL 制作三维立体地形图，就要将数字地面模型格网用openGL提供的点，线，多边形等建模原语描述为openGL图形函数所识别。

（2）遥感图像与地形融合：openGL提供两类纹理：一类纹理图像的大小必须是几何级数；另一类Mipmaps 纹理可为任意大小。在Mipmaps纹理映射的基础上，可将遥感图像与地形融合。在遥感影像与数字地形相套合时，地形与遥感影像的配准是关键。为了获取更好的视觉效果，配准方案可采取数字地形向遥感图像配准，通过控制点，建立匹配方程，将数字地形由大地坐标系转到影像坐标系中。

（3）观察路线设置与视点计算：为了达到三维交互控制的目的，可在正射的遥感数字影像上任意选择观察路线，对路线上的采样点记录其平面坐标，根据采样点的平面位置从DEM 中采用一定的插值方法，确定观察路线上采样点的高程和平面坐标，当采用Fly-through方式观察时，观察路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上飞行高

度确定当采用walk-through方式观察时观察

路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上

身高来确定

（4）实时显示Opengl 提供了双缓存技术，通过它可实现地形实时动态显示。其基本原理是提供前后两个缓存，在显示前台缓存内容的一帧图像时，后台缓存正在绘制下一帧图像后台绘制完成后，交换前后台缓存。不断循环，实现动态显示。可进一步结合立体视觉技术传感技术，多媒体技术等实现虚拟现实。

3、程序的主要功能

本程序利用openGL实现了三维地形的现实和漫游，天空盒的显示，并且利用billboard 技术在场景中添加了树模型，同时实现了在３ＤＳ模型的直接读入。下面，对各功能的实现原理进行介绍。

3.1 三维地形的生成

3.1.1 地形生成的主要思想

地形生成的主要思想是：给定等高地形图Terrain2.bmp，将其加载进数组g_imageData[]；利用数组中的值生成地形采样点x,y的高程值h。然后利用三个数组分别保存地形相关的数据,其中：

(1)g_terrain [MAP_W*MAP_W][3]：存储地形的x,y,z值，其中每一行代表一个地形采样点。x和z表示采样点的平面位置。y表示采样点的高程，高程值的确定通过上述方法获得。

下面以3*3地形的生成为例：

g_terrain[3*3][3]如下所示：

x y z

0 0 0

1 24 0

2 48 0

3 0 -24

4 24 -24

5 48 -24

6 0 -48

7 24 -48 8

48

-48

表1 g_terrain[]数组

因为坐标系为：

图2 openGL 中的坐标系

所以，y 值表示高度h ，值的获取方法为：

（2）g_index [MAP_W*MAP_W* 2]：用来保存顶点的索引。

0 0 1 3 2 1 3 4 4 2 5 5 6 3 7 6 8 4 9

7

x

10 5 11 8 12 6 13 9 14 7 15 10 16 8 17

11

表2 顶点索引g_index[]数组

（3）g_texcoord [MAP_W*MAP_W][2]：用来保存顶点的纹理坐标。

0 0 0 1 1

0 2 2 0 3 0 1 4 1 1 5 2 1 6 0 2 7 1 2 8

2

2

表3 顶点纹理坐标数组g_texcoord[]

g_texcoord []数组的使用是结合glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, g_cactus[0])，用来指定纹理坐标。

3.1.2 地形生成的主要过程

上述三个数组准备完成后，利用glDrawElements （）函数来实现地形的绘制。 glDrawElements （）具体实现为：

glDrawElements(GL_TRIANGLE_STRIP,MAP_W*2,GL_UNSIGNED_INT,&g_index[z*M

AP_W*2]); 其中：

GL_TRIANGLE_STRIP 指出要绘制的模式。 MAP_W*2是纹理数组的大小。

GL_UNSIGNED_INT 指出第四个参数索引数组的类型。

g_index 是三角形的索引数据，随着z 的改变，该函数每次利用MAP_W*2个

g_terrain[]中的顶点，按照g_index[]中的顺序，每三个绘制一个三角形。

图3 地形绘制主要过程

函数以此从g_terrain[]数组中取出MAP_W*2个顶点，按照g_index[]中的顺序，每三个点绘制一个三角形。利用循环来绘制整个场景中地形。

x

图4：采用GL_LINE_LOOP地形绘制

图5：贴纹理后地形图

3.2 天空盒的生成

天空是由一个长方体(称为天空盒)，在它的各个面上贴有表示天空的图片形成的。对于用作天空背景的图片有特殊要求。4面图的边与顶图的边相连，4面图前后相连，并且图片大小为2的N次方(32、64、128...)

具体是通过绘制表示各面天空的四边形面，并赋予各面的天空纹理来实现的。代码如下：

图6 天空盒中的裂缝

本程序采用glew中提供的glTexParmeteri()函数来消除裂缝。

glTexParmeteri()函数更改了控制滤波方式。这里采用的是边缘截取(GL_CLAMP_TO_EDGE)的方法来解决。

修正后得到的天空如图7所示：

图7 消除缝隙后的天空

3.3 树的生成

openGL 中植物的模拟有多种方法，本程序采用billboard 方法来生成树。公告牌技术,即billboard 技术,在3D 游戏中有着广泛的应用。它的本质就是用预先做好的位图来代替3D 物体，极大地节省资源和提高速度。

当我们在旋转场景时，场景中的一些平面（树）也跟着旋转。 就是说不管我们怎么旋

转场景，看到的都是平面（树）的正面，它始终对着我们。由这样的平面构成的树，就给我们一种三维模型的假象。在一个矩形平面上贴一个树木的图片，并让树的背景呈透明状态。将它放在OpenGL场景中，这就是我们所要的树。

图8：树形图

Billboard树的生成原理为：

1)开启混合模式和Alpha测试glEnable(GL_BLEND);

glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

glEnable(GL_ALPHA_TEST);

glAlphaFunc(GL_GREA TER, 0);

2）定义一个16个元素的矩阵m[]，获得当前的模型视图矩阵，并保存到m中。

float mat[16];

glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, mat);

3）vector3_t X(mat[0], mat[4], mat[8]);// 0, 4, 8 表示视图矩阵的X方向

vector3_t Z(mat[1], mat[5], mat[9]);// 1, 5, 9 表示视图矩阵的Y方向(三维的Z方向) 4）根据X 和Z确定的位置，生成树平面，它就直接受到模型视图矩阵的控制。

具体的实现代码为：

3.4 ３ＤＳ模型的读入

场景中的3DS模型是通过将模型对象的几何位置坐标、法向量、材质等信息分别读入对应的数据结构，然后进行绘制实现的。

直接读入外部文件大大缩短了复杂物体建模的时间，是可视化系统中的一项重要技术。

图9openGL场景中直接读入３ＤＳ模型

3.5 键盘交互实现漫游

程序中利用键盘来控制场景方位角左右移动、俯仰角上下移动。以此来实现交互。

上述参数利用键盘操作改变后，利用DisplayScene（）函数来实现摄像机的漫游。

图10：效果演示图

3.6汉字的显示

OpenGL是一个3D图形界面，在它上面显示文字有别于在Windows图形环境下显示文字。由于OpenGL的底层不支持汉字的双字节编码，所以对汉字的显示相对困难。

OpenGL是一个3D图形界面，在它上面显示文字有别于在Windows图形环境下显示文字。在OpenGL上文字需要一些特殊的方法，因为在3D图形界面上，有平面文字、3D文字之分。特别是汉字的显示要麻烦一些，因为OpenGL的底层不支持汉字的双字节编码。

常规文字

这种文字显示是一种高效能的、以位图方式绘制字体的方法，它采用了一种平面图形的方法，所以显示的是平面文字。只可惜，这个平面文字显示方法不能支持汉字。

3D文字

OpenGL中文字也可以作为3D对象来显示。这种3D文字可以缩放、旋转、贴图，有其它3D对象的所有特性。我们在程序还加入了对双字节汉字的特殊处理，所以它也能显示立体汉字。

平面汉字

OpenGL平面汉字。基本原理是：在系统内部建立一个确定字体的设备场景（MDC），

用GDI方式将文字在设备场景中形成单色位图，再用OpenGL的平面位图显示函数glBitmap （）将文字显示出来。

绘制函数为：

void CGLFont:: Printftext (int x, int y, LPCTSTR lpszText, HFONT hFont)

其中：x, y:定位汉字；lpszText:要显示的文字；hFont：字体。

图11：OpenGl显示汉字图

4、总结

本次大作业是在小组成员的全力配合和协作下完成的。通过资料调研，代码查找，分析改进，文档撰写这几方面的工作，实现了小组成员的合理分工和特长的发挥。同时，项目的最终实现结果符合预期目的。

4.1 项目总结

本项目的选题为“基于openGL的三维地形场景的生成”。题目的选定是在小组成员全球海量地形实时可视化的研究背景下完成的。旨在通过此次项目实习，为以后研究内容的展开奠定基础。

本项目利用openGL实现了在已知高程等高线灰度图的基础上，进行三维地形的可视化。同时，为了增加场景的逼真性，利用billboard技术在场景中增加了树。项目还实现了天空盒的生成。为了实现与用户的交互，程序实现了利用键盘进行场景的漫游。

通过本次项目实习，小组成员对openGL中地形的生成算法，树的生成算法以及天空的生成有了进一步的认识。在以后的工作中，我们将对大规模场景LOD的实现进行进一步的研究。

4.2 小组成员分工

顾久祥：代码下载，天空盒生成算法改进，3DS模型导入。

张宁丽：背景调研，地形生成算法分析与改进，文档撰写。

马利春：资料收集，汉字显示代码分析，billboard树生成算法改进。

参考文献

[1] 廖中石，杨化超.2004(6).基于openGL的三维地形实时动态交互显示, 现代测

绘.Vol.27,No.3.

[2] 韩样.2003(2)基于OpenG L 的三维地形可视化方法研究.车辆与动力技术. 1009 4687

(2003) 02 0011 05.

[3] 张剑飞, 王艳涛, 程杰. 2010(4).大规模三维地形的生成和漫游. 哈尔滨理工大学学

报. V ol. 15 No. 2.