用OpenGL构造三维地形

维普资讯 http://www.cqvip.com 山西电子技术　２００２年第３期　软件天地　用ＯｐｅｎＧＬ构造三维地形　孙向东　（三益电子计算机公司，山西太原０３００２４）　摘要：地形的构造是绘制三维电子地图的开端，文章介绍了一种先绘制等高线位图，再间接生成不规　网格函数程序　则三维地表模型的方法，对这种方法的编程实现也作了描述。　关键词：地形ＯｐｅｎＧＬ位图　等高线中图分类号：ＴＰ３９１．７２　文献标识码：Ａ　引　言　ＯｐｅｎＧＬ是目前最主要的二维和三维交互式图　形应用程序开发环境，强大的图形操作功能使其在　许多领域都有应用，并得到硬件（显卡）厂商的广泛　１　绘制等高线位图　图１就是在“画图”中绘制的５１２×５１２像素宽　度的位图，每一种颜色代表一种高度值。为了方便　绘制，颜色的顺序是按照“画图”中“颜料盒”工具条　的缺省顺序来的，黑色最低，白色次低，接着是深　支持。三维电子地图是在计算机系统上构造的三维　真实感地形背景，主要用于三维动画、虚拟现实、军　事模拟训练、游戏等方面。用ＯｐｅｎＧＬ构造三维电子　地图，可以最大限度地利用计算机硬件的功能，达　到连贯平滑的动画效果。但其问的问题在于，真实　地面形状是非常不规则的，往往无法用数学方法得　灰、浅灰，以此类推，共用了１６种颜色。　到地形三维坐标。作者在工作中摸索出一种用等高　线位图间接生成复杂地形三维坐标的方法，具体步　骤如下：先绘制出一定幅画（本文设为５１２×５１２像　素）的地形等高线位图，位图像素点代表网格状地　形的节点，不同的颜色代表不同的高度；建立程序　读入位图像素颜色值，根据其颜色给每个像素点赋　予高度；对各点高度进行平滑调整；用ＯｐｅｎＧＬ的三　维造型功能建立三维地表形状。　本文程序运行的操作系统是Ｗｉｎｄｏｗｓ９８第二　版，编译环境是ＶＣ＋＋６．０，位图的绘制用的是　Ｗｉｎｄｏｗｓ自带的“画图”工具（ｍｓｐｓｉｎｔ．ｅｘｅ）。本文着　图１　等高线位图　２　构建程序框架　２．１　建立程序工作空间　重于方法的讨论，至于程序编制方面的内容，将力　求简洁，将力求简洁。有关编程的问题和ＯｐｅｎＧＬ函　进入ＭＳ　ＶＣ＋＋６．０编程环境，建立一个空的　工程，类型为“Ｗｉｎ３２　Ｃｏｎｓｏｌｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”，名称为　“ＭｙＴｅｒｒａｉｎ”。给工程中加人一个名为“ＭｙＴｅｒｒａｉｎ．ｃ”　数的说明，请参阅ＭＳＤＮ联机文档。　收稿１３期：２００２—０４—０９　作者孙向东　男　３２岁　工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com ４　山西电的源文件，这个文件是我们这个程序所用到的唯一　的一个程序源文件。链接ｏｐｅｎｇｌ　３２．１ｉｂ、ｇｌａｕｘ．１ｉｂ三　个函数库，这就完成了程序工作空间的创建工作。　２．２　全局变量与文件包含　将ｗｉｎｄｏｗｓ．ｈ、ｇ１．ｈ、ｇｌｕ．ｈ、６ａｕｘ．ｈ等头文件的　包含语句写进ＭｙＴｅｒｒａｉｎ．Ｃ，然后对一些后面将用到　的函数进行预定义，另将下面的两上函数声明为回　调性质：　ｖｏｉｄ　ＣＡＬＬＢＡＣＫ　Ｒｅｓｈａｐｅ（Ｇｌｓｉｚｅｉ　Ｗ，　Ｇｌｓｉｚｅｉ　ｈ）；／／刷新函数　ｖｏｉｄ　ＣＡＬＬＢＡＣＫ　ＤｒａｗＳｃｅｎｅ（ｖｏｉｄ）；／／绘图函数　接着是一些全局变量的定义，包括：Ｇｌｌｆｏａｔ　ｇｒｏｕｎｄ［５１２】［５１２】（最终的地形数据数组）；Ｇｌｌｆｏａｔｇ　ｈｓｇｎｄ［５１２】［５１２】（水平平滑调整后的高度数组）；　Ｇｌｆｌｏａｔ　ｖｓｇｎｄ［５１２】［５ｌ２】（垂直平滑调整后的高度数　组），ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｈｏｒｄｅｒ［５１２】［５ｌ２】（高度标志值数　组）Ｇｌｕｉｎｔ　ｌｉｓｔ（显示列表号）。　２．３　创建程序运行窗口　本文使用了ＯｐｅｎＧＬ辅助函数库提供的函数来　初始化０ｐｅｎＧＬ和创建程序运行窗口，这些都在　ｍａｉｎ（）函数中进行：　ｉｎｔ　ｍａｉｎ（ｉｎｔ　ａｒｇｃ，ｃｈａｒ－ｋ－ｋ　ａｒｇｖ）　｛／／设置显示模式　ａｕｘｌｎｉｔＤｉｓｐｌａｙＭｏｄｅ（ＡＵＸ—ＲＧＢＡ　Ｉ　ＡＵＸ—　ＤＥＰＴＨＩＡＵＸ—ＤＯＵＢＬＥ）；　ａｕｘＩｎｉｔＰ０ｓｉｔｉｏｎ（Ｏ，０，４００，３００）；　／／设置窗口　起始位置和大小　ａｕｘＩｎｉｔＷｉｎｄｏｗ（”ＯｐｅｎＧＬ三维地形”）；／／创建窗　口　Ｉｎｉｔ（）；　／／地形数据初始化　ａｕｘＲｅｓｈａｐｅＦｕｎｃ（Ｒｅｓｈａｐｅ）；　／／刷新回调函数　ａｕｘＭａｉｎＬｏｏｐ（ＤｒａｗＳｃｅｎｅ）；　／／主回调函数　ｒｅｔｕｒｎ０；　／／程序结束　ｌ　２．４　绘图　ｍａｉｎ（）函数中的ａｕｘＲｅｓｈａｐｅＦｕｎｃ（）和ａｕｘＭａｉｎ—　Ｌｏｏｐ（）用于设置刷新回调用函数和主回调函数。当　窗口发生移动、缩放等事件时，调用Ｒｅｓｈａｐｅ（）回调　函数重设绘图区和投影模式。本程序任务简单，用　ｇｌＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ（）函数重设透视投影模式。ＤｒａｗＳｃｅｎｅ　（）中应包含下面两句：　ｇ｜ｕＬｏｏｋＡｔ（一３５００．０，　２２２２．０，　３５００．０，一　１０００．０，０．０，１０００．０，０．０，１．０，０．０）；　子技术　２００２　年　ｇｌＣａｌｌＬｉｓｔ（１ｉｓｔ）；／／调用显示列表　ｇｌｕＬｏｏｋＡｔ（）设置观察点和观察方向，观察者位　于空间坐标ｘ＝一３５００，Ｙ＝２０００，ｚ＝３５００）处，视线　投向空间坐标（ｘ＝一１０００，Ｙ＝０，ｚ＝１０００）处，向上　矢量映射到正Ｙ轴方向；ｇｌＣａｌｌＬｉａｔ（）函数调用了一　个在图形初始化时生成的显示列表（见下），执行所　有的地形绘制工作。　３　图形初始化　３．１　读入位图　图形初始化工作由Ｉｎｉｔ（）函数来完成。其中包　含一个ＯｐｅｎＧＬ辅助函数库中的ａｕｘＤＩＢＩｍａｇｅＬｏａｄ　（）函数，它专门用来装入位图数据，其参数是位图文　件名字符串，返回一个指向位图文件中颜色数据区　起始点的指针。有了这个指针，就可以读人等高线　位图中的像素颜色数据，为不同颜色的像素赋予不　同的高度标志值，然后将这些数值按顺序存人　ｈｏｒｄｅｒ数组。本文所用的颜色为ｌ６种，高度标志值　范围是０—１５。　３．２　平滑调整　程序中只使用了ｌ６种颜色来标识高度，对于自　然界的复杂地貌来说，这显然是不够的。如果对这　些高度值不进行平滑运算的话，构成的将是梯田式　的地形，许多场合中，这并不能满足我们的需要。本　文使用了一种相对简单的平滑运算方法，对ｈｏｒｄｅｒ　数级进行行方向和列方向两次扫描，分别进行平滑　运算，求平均值。这种方法运算简单，效果不错。　假设ｈｏｒｄｅｒ数组中某一行开始的几个数据是这　样的：　垒ｌ　０　ｌ　Ｉ　１　ｌ　１　Ｉ　ｌ　２　ｌ　２　ｌ　２　Ｉ　ｌ…’　加双下划线的数据被称作转折点，按从左向右　（数组列标从小到大）的顺序，是相同数值的一组数　据中的第一个。作平滑运算时，转折点的数据保持　不变，转折点之间的数据按与转折点的距离作线性　增减。设ｔ。、ｔ：是两个转折点，ａ　、ａ２是这两点之间的２　个数据，则：　ａ１＝ｔ２一（ｔ２一ｔ１）／３　ａ２＝ｔ２—２（ｔ２一ｔ１）／３　上面的那组数据运算后就是ｔ　１　０．５ｌ　Ｉ１．３３ｌ　１．６７ｌ　ｌ　２．５５Ｉ２・７５　ｌ　Ｉ…　图２是关于这种运算方法的更为直观的表述，　实线代表原来的地形轮廓，虚线是运算后的地形轮　维普资讯 http://www.cqvip.com 第　３　期　孙向东：用ＯｐｅｎＧＬ构造三维地形　５　廓。经过对ｈｏｒｄｅｒ数组中行向量和列向量的两次同　理运算后，形成两个高度数组，求它们的平均值，然　后与一个固定因子（高度间隔，本文为３０）相乘得　到最终的高度值，存入ｇｒｏｕｎｄ数组。至于这种运算　方法的编程，这里就不再赘述了。　图２　平滑运算示意　３．３　显示列表　ＯｐｅｎＧＬ中的显示列表可以极大地提高程序执　行的效率。Ｉｎｉｔ（）函数的最后产生一个标号为ｌｉｓｔ的　显示列表，前面所讲的ｇｌＣａｌｌＬｉｓｔ（）函数调用是就是　它，其中执行的工作是画一个网格状的地形。网格　图３　最终结果　５　结束语　本文采用的一些参数均是可以根据不同需要而　改变的，如高率间隔、网格间隔、位图幅画、颜色数　量，改变它们可以改变三维地形的大小和分辨率方　面的特性。由于等高线位图可以根据真实自然景观　或按各自不同的特殊需要（如游戏中的虚拟场景）绘　制，所以本文所介绍的方法可以应用的领域是比较　广的。　节点的Ｘ和ｚ坐标由ｇｒｏｕｎｄ数组行列标号分别与　一个固定因子（网格间隔，本文为１０）相乘得来，Ｙ　坐标由ｇｒｏｕｎｄ数组中相应行列标号对应的元素值　得来。另外，为了使最终的显示结果能清楚地表示　出地形的上下起伏，本文使用了不同的颜色灰度值　（红绿蓝三色同值）来绘制不同高度的网格节点。　４　结果显示　将程序编译运行，一个包含三维地形图象的窗　这里讨论的是如何生成不规则地表形状的方　法，这是构造一个与自然贴近的三维电子地图的开　端。在此基础上进行纹理贴图，并加入诸如树木、河　口即可在计算机屏幕上显示出来，如图３所示。由　于我们定义的网格间隔是１０，高度间隔是３０，长宽　流、建筑等各种形状的地物模型，就可构成一幅真正　的三维电子地图。　参考文献　方向的网格节点数均为５ｌ２，高度分为ｌ６个等级，　所以生成的是一个长度宽度均为５　ｌｌ０，高度为４５０　的三维地表模型。　１　贾志刚．精通ＯｐｅｎＧＬ［Ｍ】．北京：电子工业出　版社，１９９８．　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　３Ｄ　Ｔｅｒｒａｉｎ　ｂｙ　ＯｐｅｎＧＬ　Ｓｕｎ　Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ　ｒ　Ｓａｎｙｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　０３００２４，ＣｈｉｎａＪ　ｎ　ｏｆ　ｄｒａｗｉｎｇ　ａ　３Ｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍａｐ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｏｆ　ｔｅｒｒａｉｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉ．ｃｒｅａｔｉｎｇ　３Ｄ　ｔｅｒｒａｉｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｒｅｃｅｄｅｄ　ｂｙ　ｐａｉｎｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｉｎ　ａ　ｂｉｔｍａｐ，ａｎｄ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｒｒａｉｎ；ＯｐｅｎＧＬ；ｂｉｔｍａｐ；ｃｏｎｔｏｕｒ；ｍｅｓｈ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｐｒｏｇｒａｍ