基于OpenGL的三维绘图系统设计

许杨 陈婧

摘要：利用OpenGL进行可视化交互式三维图像绘制。系统以Microsoft Visual Studio作为开发平台，搭建系统框架来进行交互。系统包括了基本操作模块，绘制模块，变换模块，光照模块，颜色模块。实现的主要功能有模型的输入输出，基本图元的绘制，视窗变化。模型光照渲染，RGBA模型的颜色表述。对于OpenGL的反走样，明暗，等渲染模式进行设计。

关键词：三维对象 OpenGL 渲染

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

三维绘图系统是计算机辅助设计的重要基础，它最真实的模拟了人和物体的交互，无论从工业设计到如今的影视制作，它对提高设计质量，加快设计速度，节省人力与时间，提高设计工作的自动化程度，促进文化产业的发展，具有十分重要的意义[1，2]。其次，它还可以提高技术创新能力，加快产品开发速度，促进自身快速发展，是工业设计和文化产业未来发展的重要工具[3，4]。

OpenGL是目前业界使用最为广泛的2D和3D图形接口标准，被应用于成千上万的各式各样的计算机程序中。对于OpenGL的研究虽然经历过低谷，但是从未停止，近年来OpenGL技术的完善和改良让OpenGL在三维绘图方面兴起。因为其设计严格遵循了计算机图形学的原理，在光学和视觉上都符合物理现实的特性，所以是目前设计仿真软件的理想工具[5]。近年来的对于OpenGL的研究也主要集中在仿真技术上，而三维绘图技术又是仿真技术的核心，OpenGL又是三维绘图系统的核心，证明OpenGL在当下的各个图形软件研究中具有举足轻重的地位[6]。

本文主要分析三维绘图系统的运行流程，系统的工作流程、原理和实现过程，以及如何实现基于OpenGL的三维绘图系统。包括图形绘制，变换操作、颜色模式、光照渲染、效果增强、位图操作和交互绘图等功能。

1 OpenGL的工作方式

一个完整的OpenGL的体系应该有下图的结构。处于最低层的是图形硬件，然后是操作系统，然后是窗口系统，然后才是OpenGL，最后是软件层。OpenGL采用流水线的工作模式，不同的操作被定义为按照特定的顺序来执行。命令被放在一个命令缓冲区中，这样命令缓冲区中将会包含了大量的命令、定点数据以及纹理数据。缓冲区中的命令和数据将在被清空的时候传递给流水线的下一个阶段。虽然OpenGL在每次版本更新的时候都会添加一些新的功能，但是它的基本构架一直都没有改变过。对于每一组指定的输入，每一个OpenGL实现都必须具有相同的功能和一个与OpenGL规范保持一直的结果。这一操作以及它们的发生顺序都是有OpenGL规范定义的。但是需要指出的是OpenGL的实现并不需要一沉不变的顺序，它是可以任意修改操作的顺序的，渲染的结果与OpenGL规范相一致。

2系统设计方案

2.1绘制模型

OpenGL的所有绘制都是基于点的坐标实现的，由函数glVertext指定点进行绘制，也可以调用OpenGL已经设置好的函数，例如通过void glRect就能快速绘制一个矩形。通过glBegin和glEnd基本可以绘制所有的图元。在glBegin和glEnd中最重要的便是点的坐标，除了设定点坐标以外还可以为每个顶点指定特殊属性，例如颜色、法线向量、纹理坐标、或上述任意组合。以画圆的函数为例，把圆看成无数线段组成的多边形，分段为100，通过sin和cos画出一个近似圆。然而这样的程序对于渲染的效率不高，因为每一个点都要通过计算，在重复绘制中很占用资源。一般采取的做法是先计算出点，把它们保存到一个数组里，然后通过创建显示列表或者顶点数组进行渲染。通过以上简单绘图的基础，理论上任何图形都可以通过OpenGL函数和数学公式进行绘制。

2.2模型渲染

首先给控件添加成员变量，接着要给控件添加事件处理函数，在控件上面右击选择处理程序向导，把消息类型设置为点击事件。完成了整一个消息映射后，接下来将命令在两个视图间传递。获取RenderView视图类的指针，InvalidateRect使绘图区域无效，重新发送WM_PAINT消息进行重绘。

绘制过程会用到RGBA模式设置初始颜色，所以在颜色模块主要采用交互式的颜色索引模式。对于OpenGL的颜色设置来说，本质还是RGBA的颜色模式。镜面光和漫反射光设置同环境光。但是如果要开启镜面光则必须添加材质，所以设置渲染描述表之后添加材质属性，材质属性的添加和光照属性的添加类似。

功能分析中对OpenGL的效果增强器进行了分析，OpenGL的效果增强器有许多，但是它们的工作原理都比较相像，于是在系统中就主要实现反走样以及明暗效果。在OpenGL中提供了反走样算法来解决这个问题，在RGBA模式下，OpenGL将像素的覆盖比例和alpha值相乘，算出来的值作为新的alpha值与帧缓冲区所对应的像素进行混合。

在明暗处理方面，计算机图形学中有两个算法，分别是Gourand和Phong。明暗算法的数学思想就是计算各个多边形公共点的光照值，然后用线性插值的方法对内部的面进行明暗度的设置。Gourand算法处理起来比较简单，对于计算量比较小，一般情况下是可以得到比较满意的光滑表面的，但是还是避免不了马赫带效应。而Phone算法又被称为法线矢量明暗算法。其数学原理是将多边形的法线矢量进行线性插值计算来得到各点的法线再来计算其明暗值，它的计算量比较大，但是效果比较好。OpenGL自带的明暗处理采用的Gourand算法，或者也可以自己定义Phone。

参考文献

[1]崔璟.基于OpenGL的三维视景的建立[D].北京化工大学，2008.

[2]徐俊波，李晓红.基于MFC的OpenGL三维图形类的创建[J].科学技术与工程，2005， 5（17）：1309-1312.

[3]吴爱兰，楼建列.基于OpenGL的三维图形的绘制[J].中国科技信息， 2007（9）：122-122.

[4]祁春，毛小玲.基于OpenGL的多模式平显图形仿真软件的设计[J].电子设计工程，2014（18）：42-44.

[5]王瑞永，乔江，袁清.OpenGL与Windows坐标相互转换的实现[J].地理空间信息，2011（4）：78-80.

[6]Reina G， Muller T， Ertl T. Incorporating Modern OpenGL into Computer Graphics Education[J].IEEE Computer Graphics & Applications，2014，34（4）：16-21.