談交互式虛擬三維環(huán)境的設計

O 引言

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

　　虛擬三維環(huán)境是虛擬現實(shí)技術(shù)中一個(gè)極其重要的部分，雖然可以用現成的三維引擎來(lái)制作，但是由于絕大多數的三維引擎價(jià)格不菲，并且其主要面向三維游戲市場(chǎng)。所以，如果要解決的問(wèn)題不是特別復雜，完全可以通過(guò) 自己編程并使用一些工具軟件來(lái)完成。

　　1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與軟件

　　1．1 Microsoft Visual C++ 6．0

　　Microsoft Visual C++6．0(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為 vC++6．0)是由微軟公司出品的功能強大的可視化開(kāi)發(fā)平臺之一，我們可以利用它在 Windows 操作系統上完成應用程序的創(chuàng )建、編碼、測試、完善等各個(gè)階段的工作。

　　I．2 OpenGL

　　OpenGL(開(kāi)放性圖形庫 Open Graphics Library)是一個(gè)3DAPI，它獨立于硬件系統和操作系統，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，用于快速創(chuàng )建實(shí)時(shí) 3D圖形，主要用于圖形專(zhuān)業(yè) 領(lǐng)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(dòng)畫(huà)的軟件，使用它可以制作出栩栩如生的人物、動(dòng)物、植物和建筑物等各種 3D模型和動(dòng)畫(huà)。我們使用 3ds max 7來(lái)制作一些動(dòng)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)境中調用。

　　1．4 Vue 5 Infinite

　　Vue5 Infinite(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為 vue5)由e-on軟件公司出品，它也可以用來(lái)制作 3D模型和動(dòng)畫(huà)，其特長(cháng)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(shí)感是影響視覺(jué)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(lái)充實(shí)虛擬三維場(chǎng)景。

　　2 虛擬場(chǎng)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(lái)制作虛擬三維場(chǎng)景中的3D模型等元素。首先從天空開(kāi)始，打開(kāi) 3ds max 7，創(chuàng )建一個(gè)立方體 ，調整其邊長(cháng)到一個(gè)比較大的值(比如 2000米)我們把這個(gè)立方體稱(chēng)為天空盒。接著(zhù)制作天空盒的材質(zhì)貼圖，也就是大氣環(huán)境的圖片。打開(kāi) Vue5，選擇“載人大氣”選項 ，然后從彈出的對話(huà)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(diǎn)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(gè)面相對應的六幅位圖；再次進(jìn)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(jìn)行一些調整，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(lèi)型的文件，以便在程序中調用。

　2．2 建筑物等各種實(shí)體的模型

　　根據需要，還應在場(chǎng)景中添加一些建筑物之類(lèi)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(shí)時(shí)繪制，因此，在制作模型時(shí)，不能一味追求精細，應該有意識地控制多邊形的數量，以提高程序運行時(shí)的渲染速度。同樣，把制作好的模型保存為“3ds”類(lèi)型的文件。

　　2．3 樹(shù)木等植物

　　一般采用 2D圖片的方法來(lái)顯示植物，這樣 ，即使場(chǎng)景中有一大片樹(shù)林，也不會(huì )影響渲染的速度。制作植物圖片時(shí) ，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(jiǎn)單的處理 ，使其滿(mǎn)足以下幾個(gè)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(chǎng)景 中的植物就做好了。

　　2．4 生成地形數據

　　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(shí)時(shí)繪制的方法，便于在場(chǎng)景中漫游時(shí)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(gè)三維浮點(diǎn)型數組來(lái)保存地形的頂點(diǎn)坐標值，三個(gè)分量分別為地形頂點(diǎn)的x、Y、z坐標；然后，我們再建兩個(gè)數組，分別用來(lái)保存頂點(diǎn)的索引值(整型)和曲面貼圖的平面坐標(浮點(diǎn)型)；接著(zhù) ，使用一段循環(huán)代碼來(lái)隨機生成地面的高度值，同時(shí)給三個(gè)數組賦值 ；最后，調用 OpenGL中的函數 glEnableClientState()和glVertexPointev()來(lái)載入地形頂點(diǎn)坐標數組，凋用 glEnableClientState()和glTexCoordPointer()函數來(lái)載人頂點(diǎn)索引數組。這樣，地形的初始化工作就完成了，可以把這個(gè)過(guò)程寫(xiě)成一個(gè)函數，名字叫做 lniin()，便于在程序中調用。

　　3 創(chuàng )建基于 OpenGL的應用程序框架

　　OpenGL中所有的繪圖函數都必須在 OpenGL的環(huán)境中運行，這個(gè)環(huán)境稱(chēng)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(shuō)，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 在其中調用各種OpenOL繪 圖函數 。

　　3．1 創(chuàng )建 Windows應用程序框架

　　首先，在 VC十 +6．0中新建 一個(gè) Win32應用 程序(Win32 Application)；然后，添加四個(gè)全局變量 htX2、hRC、hWnd和 hlnstance，分別用來(lái)保存設備描述表、著(zhù)色描述表、窗口句柄和程序的實(shí)例句柄；接下來(lái)在應用程序中包含 g1．h,glu．h、glaux．h三個(gè)頭文件以及 opengl32．1ib、glu32．1ib、glaux．1ib三個(gè)靜態(tài)鏈接庫文件；最后，在程序中加入 winMain()函數和 WndProc()函數(具體方法請參考 MSDN)。其中，WinMain()函數是主程序的入口，我們在其中添加一些代碼創(chuàng )建 Windows窗口，并在 WinMain()函數 中使用PeekMessage()函數完成消息循環(huán)(即程序的主循環(huán)，被程序反復執行)，它用來(lái)監聽(tīng)并向 WndProc()函數傳遞 肖息。WndProc()是一個(gè)窗口回調函數，用來(lái)處理各種窗口消息并響應外部事件。這樣，一個(gè)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(jìn)行初始化設置；2)調用 OpenGL函數庫中的函數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(xiě)成一個(gè)函數，命名為DrawScene()，以便在程序中調用；3)在程序退出之前釋放各種資源，斷開(kāi) OpenGL與Windows窗121的連接。

　　3．3 框架程序間的關(guān)系

　　winMain()函數是程序的入口，我們用它創(chuàng )建一個(gè)窗口并設置其大小和樣式。WndProc()回調函數會(huì )對“創(chuàng )建窗口”這個(gè)消息作出響應 ，馬上調用 OpenGL框架中的 SetPixelFomat()函數檢測機器對 OpenGL的支持情況，并安裝OpenGL顯示接口。當窗 口創(chuàng )建成功后，WndProc()函數對窗口尺寸變化消息作出響應，調用 OpenGL框架中的 gluPerspective()等函數對 OpenGL視 12I進(jìn)行變換調整。Windows窗口生成后，就進(jìn)入程序的主循環(huán)，在其中調用 DrawScene()函數繪制場(chǎng)景，同時(shí)監聽(tīng)和分配各種消息。程序退出時(shí)，調用 OpenGL中的 wglDeleteContext()函數來(lái)切斷 OpenGL與 Windows窗口的連接。

　4 虛擬三維場(chǎng)景的顯示和人機交互