摘 要：介紹了OpenGL和Matlab2009a各自的特點(diǎn),，在結(jié)合各自特點(diǎn)基礎(chǔ)上,，建立了基于二者的虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模開發(fā)平臺(tái)；以建立的虛擬現(xiàn)實(shí)建模開發(fā)平臺(tái)為例,，對(duì)比已有的使用Matlab外部接口的方法,，證明了基于OpenGL和Matlab開發(fā)方法的優(yōu)越性和有效性。
　　關(guān)鍵詞：OpenGL,；Matlab,；三維建模；虛擬現(xiàn)實(shí)

 　　VR(Virtual Reality)技術(shù)的主要目標(biāo)之一是允許用戶以盡可能自然的方式與虛擬世界直接交互,?？梢院?jiǎn)明定義：虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)生成的給人多種感官刺激的虛擬世界(環(huán)境），是一種高級(jí)的人機(jī)交互系統(tǒng)[1],。近年來(lái),，虛擬現(xiàn)實(shí)的概念已經(jīng)深入人心,因此，作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)——三維物體的建模技術(shù)成了近幾年的研究熱點(diǎn),。
　　但是虛擬現(xiàn)實(shí)中物體對(duì)象的繪制和運(yùn)動(dòng),，涉及到大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，特別是矩陣運(yùn)算,。作為圖形硬件的軟件開發(fā)接口OpenGL已經(jīng)成為事實(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。在選用OpenGL的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有的建模方法要么單獨(dú)利用高級(jí)語(yǔ)言,；要么需要復(fù)雜的設(shè)置利用Matlab和其他高級(jí)語(yǔ)言的接口進(jìn)行混合編程,；要么算法方面利用Matlab進(jìn)行仿真,，實(shí)際構(gòu)建虛擬環(huán)境時(shí)再用其他高級(jí)語(yǔ)言另起爐灶構(gòu)建平臺(tái)，增加了開發(fā)的復(fù)雜度[2-4],。本文提出一種新的基于OpenGL和Matlab進(jìn)行建模的方法,，它充分利用了Matlab的高速算法驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)和OpenGL的三維建模優(yōu)勢(shì)。在本文創(chuàng)作時(shí),，國(guó)內(nèi)還幾乎沒有介紹相似方法的文獻(xiàn)公開發(fā)表,。本文提出的開發(fā)方法僅在2009年3月6日發(fā)布的最新版本Matlab2009a或后續(xù)版本平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)。
1 Matlab,、OpenGL和Tao介紹
　　本文實(shí)現(xiàn)方法選用Matlab和Tao類庫(kù)中的OpenGL實(shí)現(xiàn)作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái),。
1.1  OpenGL簡(jiǎn)介
　　OpenGL是由美國(guó)SGI公司推出的開放式圖形硬件的軟件開發(fā)接口(目前由Khronos小組負(fù)責(zé)），OpenGL獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng),，在各種平臺(tái)之間方便移植,，能靈活方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維的高級(jí)圖形技術(shù)。它提供了建模,、變換,、光照處理、色彩處理,、動(dòng)畫以及其他更先進(jìn)的功能,，例如紋理映射、運(yùn)動(dòng)模糊和霧化效果等,，為實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果及建立交互式三維場(chǎng)景奠定了良好的基礎(chǔ),。OpenGL以其高性能的交互式三維圖形建模能力和易于編程開發(fā)等優(yōu)越性，已經(jīng)成為一種事實(shí)高性能圖形和交互性場(chǎng)景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，是從事三維圖形開發(fā)工作的必備工具[4],。
　　OpenGL必須依賴于一定的軟件開發(fā)環(huán)境才能進(jìn)行軟件開發(fā)，目前幾乎所有的應(yīng)用程序開發(fā)工具都支持OpenGL的集成,，但是絕大部分開發(fā)人員都出于執(zhí)行效率考慮而采用C/C++等語(yǔ)言平臺(tái)作為開發(fā)工具。
1.2  Matlab簡(jiǎn)介
　　Matlab由美國(guó)MathWorks開發(fā)推出的,，作為科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件的突出代表,，已發(fā)展成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì),、仿真及教學(xué)不可缺少的基礎(chǔ)軟件,。在Matlab環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，用戶可借助Simulink軟件包方Matlab作為工程計(jì)算及數(shù)據(jù)分析軟件,，它的應(yīng)用范圍涵蓋了當(dāng)今所有的工業(yè),、電子、醫(yī)療,、建筑等各個(gè)領(lǐng)域,。通過(guò)Matlab可以在短時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜的科研難題,，能迅速地測(cè)試構(gòu)思，綜合評(píng)測(cè)系統(tǒng)性能,，并能快速設(shè)計(jì)出更多解決方案確保更高的技術(shù)要求,。Matlab還有出色的圖形處理功能，三維仿真形象逼真,，是優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)仿真軟件[5],。
1.3 Tao類庫(kù)簡(jiǎn)介
　　Tao框架類庫(kù)是為多媒體開發(fā)而產(chǎn)生的一個(gè)跨平臺(tái)的類庫(kù)，可以運(yùn)行在Windows和Linux平臺(tái),。它基于著名的.NET和Mono項(xiàng)目,。其最新版本是2.1.0，內(nèi)部集成了Tao.OpenGl 2.1.0.12,、Tao.Platform.Windows 1.0.0.5,、Tao.FreeGlut 2.4.0.2等重要的類庫(kù),為本文開發(fā)方法的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
2  基于OpenGL和Matlab的建模過(guò)程
2.1  編程環(huán)境設(shè)置
　　傳統(tǒng)上采用Visual C++結(jié)合三維圖形開發(fā)接口OpenGL作為軟件開發(fā)平臺(tái),，設(shè)置包括添加OpenGL的4個(gè)靜態(tài)庫(kù)文件gluax.lib,、glu32.lib、glut32.lib,、opengl32.lib,；然后在視圖類的cpp文件中加入以上靜態(tài)庫(kù)的頭文件： gl\gl.h、gl\glaux.h,、gl\glut.h,。由于微軟提供的OpenGL版本較低，可能有部分功能無(wú)法使用,，還需要手動(dòng)升級(jí)庫(kù)文件,，其設(shè)置比較繁瑣。下面詳細(xì)分析在Matlab2009a平臺(tái)上設(shè)置Tao.OpenGl并進(jìn)行開發(fā)的過(guò)程,。
　　在當(dāng)前路徑中建立TaoLight文件夾,，并將Tao.OpenGl.dll和Tao.Platform.Windows.dll復(fù)制到該文件夾中；建立Functions文件夾,，放置配置文件及自編的函數(shù),。為了提高程序的可移植性，把程序集的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)放入自建文件夾,。更一般的方法是到http://www.taoframework.com/下載Tao Framework 2.1.0并安裝,。
(1)建立LoadTaoOpenGl的M文件，寫入以下內(nèi)容[6]：
　　% 設(shè)置TAO OpenGL  程序集%
　　functionname='LoadTaoOpenGl.m';
　　functiondir=which(functionname);
　　%得到當(dāng)前目錄%
　　functiondir=functiondir(1:end-length(functionname));
　　disp('Ignore next 2 warnings (bug in R2009a)');
　　NET.addAssembly([functiondir '/TaoLight/Tao.OpenGl.dll']);
　　NET.addAssembly([functiondir '/TaoLight/Tao.Platform.Windows.dll']);
　　disp('Tao OpenGL .NET assemblies loaded');
　　% 添加函數(shù)和數(shù)據(jù)文件路徑%
　　addpath([functiondir '/Functions']);
　　addpath([functiondir '/ExampleData']);
　　disp('function and example data Path added');
　　(2)在Functions文件夾中編制OpenGL_Window函數(shù),，進(jìn)行一些環(huán)境設(shè)置,，例如完成窗口綁定及鼠標(biāo)操作的映射設(shè)置。綁定鼠標(biāo)移動(dòng)操作的代碼如下：
　　addlistener(simpleOpenGlControl1,'MouseMove',eval(['@(src,evnt)OpenGL_Window(''MouseMove'',src,evnt,' str_id ')']))主要參考Tao類庫(kù)的說(shuō)明文檔、微軟的MSDN和Matlab的用戶手冊(cè),，這里不再詳述,。
　　(3)在Functions文件夾中編制OpenGL_Matlab_Figure函數(shù)，除進(jìn)行相關(guān)的圖形控制設(shè)置外還進(jìn)行以下操作：
　　添加必須的 Windows 程序集：
　　NET.addAssembly('System');
　　NET.addAssembly('System.Windows.Forms');
　　創(chuàng)建一個(gè)新的窗口(.NET window):
　　Form1=System.Windows.Forms.Form;
　　Form1.Width=data.Width;
　　Form1.Height=data.Height;   
　　Form1.Visible=false;
　　Form1.Text='SWUST-邵延華',；
　　                                            //所創(chuàng)建窗體的標(biāo)題條
　　為.NET窗口創(chuàng)建一個(gè)OpenGL 控制集：
　　simpleOpenGlControl1 = Tao.Platform.Windows.SimpleOpenGlControl;
　　設(shè)置OpenGL 控制集simpleOpenGlControl1的參數(shù)：
　　simpleOpenGlControl1.AccumBits = 0,；
                                                    //accumulation buffer depth
　　simpleOpenGlControl1.AutoCheckErrors = false;
　　simpleOpenGlControl1.AutoFinish = false;
　　simpleOpenGlControl1.AutoMakeCurrent = false;
　　simpleOpenGlControl1.AutoSwapBuffers = false;
　　simpleOpenGlControl1.BackColor = System.Drawing.Color.Black;
　　simpleOpenGlControl1.ColorBits = 32；
                                                 //color buffer depth
　　simpleOpenGlControl1.DepthBits = 24,；
    　　                                          //depth buffer (Z-buffer) depth
　　simpleOpenGlControl1.Location = System.Drawing.Point(1, 1);
　　simpleOpenGlControl1.Name = 'simpleOpenGlControl1';
　　the height and width of the control:
　　simpleOpenGlControl1.Size = System.Drawing.Size(Form1.Width-17, Form1.Height-38);
　　simpleOpenGlControl1.StencilBits = 0;   　　　//stencil buffer
　　the tab order of the control within its container :
　　simpleOpenGlControl1.TabIndex = 0;
　　初始化控制集：
　　simpleOpenGlControl1.InitializeContexts();
　　添加控制集到圖形實(shí)例:
　　Form1.Controls.Add(simpleOpenGlControl1);
　　等待初始化：
　　pause(1)
　　為使用Tao.Opengl類庫(kù)的Opengl函數(shù),，載入所需要的程序集:
　　import Tao.OpenGl.*
2.2  三維物體顯示過(guò)程
　　將所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中的三維物體在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)是一個(gè)從三維空間到二維平面的投影過(guò)程，一般都要經(jīng)歷下面一系列步驟[3]：視點(diǎn)變換(Viewing Transformation）,，即調(diào)整視點(diǎn)的位置,；模型變換(Modeling Transformation），即對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn),、平移和縮放,；投影變換(Projection Transformation），即把三維模型投影到二維屏幕上的過(guò)程,；視口變換(Viewport Transformation）,，即規(guī)定了屏幕上顯示場(chǎng)景的位置和尺寸。
　　通過(guò)上面的幾個(gè)步驟,，一個(gè)三維空間里的物體就可以在二維的電腦屏幕上正確顯示了,。三維物體的顯示過(guò)程如圖1所示。

2.3  快速繪制技術(shù)
　　在計(jì)算機(jī)中模擬復(fù)雜場(chǎng)景動(dòng)作時(shí),，會(huì)降低渲染速度,，因而造成畫面的不連續(xù)。原因有很多,，本文系統(tǒng)的延時(shí)主要是當(dāng)仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng),、碰撞和其他場(chǎng)景更新時(shí)，會(huì)出現(xiàn)處理延遲,。這是因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,，每一個(gè)關(guān)節(jié)都涉及局部坐標(biāo)和全局坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)化，需要引入大量的矩陣運(yùn)算,。此情況下,，使用有關(guān)的快速繪制方法以幫助提高渲染速度顯得尤為重要。
　　目前復(fù)雜場(chǎng)景快速繪制主要有下面三大類方法：可見性判斷,、層次細(xì)節(jié)LOD(Level of Detail)和基于圖像的繪制。
　　不可見面的剔除是根據(jù)場(chǎng)景中幾何對(duì)象的空間關(guān)系,，對(duì)物體之間的遮擋關(guān)系進(jìn)行估計(jì),。可以簡(jiǎn)單分為三大類：背面剔除(Back-Face Culling)、視域剔除(View Frustum Culling)和遮擋剔除(Occlusion Culling),，這個(gè)過(guò)程在真正的消隱處理之前,，對(duì)不可見面的大量刪除省去了很多后期處理時(shí)間。避免繪制無(wú)用的,、對(duì)于視點(diǎn)而言的不可見區(qū)域,。本文使用可見性判斷來(lái)加速繪制場(chǎng)景。
2.4  程序?qū)嵗?/strong>
　　通過(guò)上文所述設(shè)置,，編寫M文件調(diào)用OpenGL相關(guān)庫(kù)函數(shù),，M文件主要功能有：設(shè)置背景色、設(shè)置顏色和深度緩存,、設(shè)置深度測(cè)試,、讀取圖像、啟用紋理和光照,、繪制三維模型,。通過(guò)圖1所示變換把現(xiàn)實(shí)世界中的三維物體以二維的平面形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，繪制出逼真的三維實(shí)體模型,，如圖2所示,。其操作和其他高級(jí)語(yǔ)言平臺(tái)利用OpenGL建模基本一致,，在此不再詳述,。