摘 要：介紹了OpenGL和Matlab2009a各自的特點，在結(jié)合各自特點基礎(chǔ)上，建立了基于二者的虛擬現(xiàn)實三維建模開發(fā)平臺；以建立的虛擬現(xiàn)實建模開發(fā)平臺為例，對比已有的使用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

 　　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。可以簡明定義：虛擬現(xiàn)實是計算機生成的給人多種感官刺激的虛擬世界(環(huán)境），是一種高級的人機交互系統(tǒng)[1]。近年來，虛擬現(xiàn)實的概念已經(jīng)深入人心,因此，作為虛擬現(xiàn)實技術(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。
　　但是虛擬現(xiàn)實中物體對象的繪制和運動，涉及到大量的數(shù)學(xué)運算，特別是矩陣運算。作為圖形硬件的軟件開發(fā)接口OpenGL已經(jīng)成為事實的工業(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利用高級語言；要么需要復(fù)雜的設(shè)置利用Matlab和其他高級語言的接口進行混合編程；要么算法方面利用Matlab進行仿真，實際構(gòu)建虛擬環(huán)境時再用其他高級語言另起爐灶構(gòu)建平臺，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進行建模的方法，它充分利用了Matlab的高速算法驗證優(yōu)勢和OpenGL的三維建模優(yōu)勢。在本文創(chuàng)作時，國內(nèi)還幾乎沒有介紹相似方法的文獻公開發(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)版本平臺上可以實現(xiàn)。
1 Matlab、OpenGL和Tao介紹
　　本文實現(xiàn)方法選用Matlab和Tao類庫中的OpenGL實現(xiàn)作為系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件平臺。
1.1  OpenGL簡介
　　OpenGL是由美國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獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，在各種平臺之間方便移植，能靈活方便地實現(xiàn)二維和三維的高級圖形技術(shù)。它提供了建模、變換、光照處理、色彩處理、動畫以及其他更先進的功能，例如紋理映射、運動模糊和霧化效果等，為實現(xiàn)逼真的三維繪制效果及建立交互式三維場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)成為一種事實高性能圖形和交互性場景處理的工業(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++等語言平臺作為開發(fā)工具。
1.2  Matlab簡介
　　Matlab由美國MathWorks開發(fā)推出的，作為科學(xué)計算應(yīng)用軟件的突出代表，已發(fā)展成為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析、設(shè)計、仿真及教學(xué)不可缺少的基礎(chǔ)軟件。在Matlab環(huán)境中進行動態(tài)仿真，用戶可借助Simulink軟件包方Matlab作為工程計算及數(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、建筑等各個領(lǐng)域。通過Matlab可以在短時內(nèi)完成復(fù)雜的科研難題，能迅速地測試構(gòu)思，綜合評測系統(tǒng)性能，并能快速設(shè)計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)秀的動態(tài)仿真軟件[5]。
1.3 Tao類庫簡介
　　Tao框架類庫是為多媒體開發(fā)而產(chǎn)生的一個跨平臺的類庫，可以運行在Windows和Linux平臺。它基于著名的.NET和Mono項目。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,為本文開發(fā)方法的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
2  基于OpenGL和Matlab的建模過程
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，設(shè)置包括添加OpenGL的4個靜態(tài)庫文件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，可能有部分功能無法使用，還需要手動升級庫文件，其設(shè)置比較繁瑣。下面詳細(xì)分析在Matlab2009a平臺上設(shè)置Tao.OpenGl并進行開發(fā)的過程。
　　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，把程序集的動態(tài)鏈接庫放入自建文件夾。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類庫的說明文檔、微軟的MSDN和Matlab的用戶手冊，這里不再詳述。
　　(3)在Functions文件夾中編制OpenGL_Matlab_Figure函數(shù)，除進行相關(guān)的圖形控制設(shè)置外還進行以下操作：
　　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例:
　　Form1.Controls.Add(simpleOpenGlControl1);
　　等待初始化：
　　pause(1)
　　為使用Tao.Opengl類庫的Opengl函數(shù)，載入所需要的程序集:
　　import Tao.OpenGl.*
2.2  三維物體顯示過程
　　將所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中的三維物體在計算機屏幕上顯示出來是一個從三維空間到二維平面的投影過程，一般都要經(jīng)歷下面一系列步驟[3]：視點變換(Viewing Transformation），即調(diào)整視點的位置；模型變換(Modeling Transformation），即對模型進行旋轉(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程；視口變換(Viewport Transformation），即規(guī)定了屏幕上顯示場景的位置和尺寸。
　　通過上面的幾個步驟，一個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。三維物體的顯示過程如圖1所示。

2.3  快速繪制技術(shù)
　　在計算機中模擬復(fù)雜場景動作時，會降低渲染速度，因而造成畫面的不連續(xù)。原因有很多，本文系統(tǒng)的延時主要是當(dāng)仿真機器人運動、碰撞和其他場景更新時，會出現(xiàn)處理延遲。這是因為機器人運動的過程中，每一個關(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)場景中幾何對象的空間關(guān)系，對物體之間的遮擋關(guān)系進行估計。可以簡單分為三大類：背面剔除(Back-Face Culling)、視域剔除(View Frustum Culling)和遮擋剔除(Occlusion Culling)，這個過程在真正的消隱處理之前，對不可見面的大量刪除省去了很多后期處理時間。避免繪制無用的、對于視點而言的不可見區(qū)域。本文使用可見性判斷來加速繪制場景。
2.4  程序?qū)嵗?/strong>
　　通過上文所述設(shè)置，編寫M文件調(diào)用OpenGL相關(guān)庫函數(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)置深度測試、讀取圖像、啟用紋理和光照、繪制三維模型。通過圖1所示變換把現(xiàn)實世界中的三維物體以二維的平面形式顯示在計算機屏幕上，繪制出逼真的三維實體模型，如圖2所示。其操作和其他高級語言平臺利用OpenGL建模基本一致，在此不再詳述。