基于OpenGL的3DS模型的導(dǎo)入與控制

高海芳，王天雷，邱杰，康獻(xiàn)民,4，王大承,4

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基于OpenGL的3DS模型的導(dǎo)入與控制

高海芳1，王天雷2，邱杰3，康獻(xiàn)民1,4，王大承1,4

（1. 五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；3. 國(guó)家摩托車及配件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 江門 529000；4. 五邑大學(xué) 摩托車研究院，廣東 江門 529020）

研究了在VC++6.0環(huán)境下利用OpenGL導(dǎo)入3DS模型的兩種方法，并給出了具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程和技術(shù)要點(diǎn)，兩種導(dǎo)入方法比較結(jié)果說(shuō)明：讀入3DS文件類的方法優(yōu)于文件轉(zhuǎn)換法，導(dǎo)入的模型圖的失真度很小，并可方便實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、拾取等人機(jī)交互控制.

OpenGL；3DS模型；人機(jī)交互

OpenGL是SGI公司開發(fā)的一套高性能的圖形處理系統(tǒng)，是圖形硬件的軟件界面[1]. 通過(guò)OpenGL，程序員可以創(chuàng)建人機(jī)交互的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)具有逼真效果的三維圖形圖像，但是利用OpenGL繪制復(fù)雜的三維模型的工作量和難度較大；而利用3DS MAX可靈活繪制復(fù)雜的三維模型及動(dòng)畫，但不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；因此，越來(lái)越多的圖形、圖像制作者選擇利用OpenGL與3DS MAX的優(yōu)勢(shì)，即使用3DS MAX對(duì)復(fù)雜模型建模，再將它導(dǎo)入OpenGL中編程，實(shí)現(xiàn)交互式的動(dòng)畫.

1 3DS模型文件格式簡(jiǎn)介

3DS模型文件由許多Chunk組成，每個(gè)Chunk包括一個(gè)頭和一個(gè)主體，Chunk是相互嵌套的，這就決定了必須以遞歸的方式讀取它們. Chunk的頭又由2部分組成：ID是一個(gè)整型數(shù)，表示Chunk的含義；Chunk的長(zhǎng)度是一個(gè)長(zhǎng)整型數(shù)（以字節(jié)為單位，包括頭），包含了下一個(gè)Chunk的相對(duì)位置信息[2-3]. 3DS模型文件中有一個(gè)基本Chunk，其ID是4D4D，基本Chunk又稱為主Chunk，主Chunk包括3D編輯器Chunk和關(guān)鍵幀Chunk. 3DS模型文件中3個(gè)主要的Chunk ID信息見表1.

表1 3DS模型文件中的3個(gè)主要的Chunk ID信息

2 3DS模型的讀入方法

2.1 文件轉(zhuǎn)換法

文件轉(zhuǎn)換是指直接采用VIEW3DS等軟件將3DS文件轉(zhuǎn)換為OpenGL所需要的C文件. 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：1）將VIEW3DS軟件在開始菜單的運(yùn)行程序中運(yùn)行；2）將需要轉(zhuǎn)換的3DS文件拖入即可得到一個(gè)后綴名為.h和.gl的文件；3）將這2個(gè)文件拷貝到已編好的OpenGL框架程序中，并在工程菜單中加入這2個(gè)文件；4）在視類的執(zhí)行文件中添加該頭文件，如#include "BASE.h"，并添加成員變量int Model，在初始化函數(shù)中添加代碼：Model =GL3DS_initialize_BASE()，在繪制場(chǎng)景函數(shù)中添加代碼：glCallList(Model1)，編譯運(yùn)行程序即可得到圖1所示的模型圖.該方法使用簡(jiǎn)單，但模型在導(dǎo)入過(guò)程中丟失了部分材質(zhì)及紋理，有明顯的失真；由于模型以一個(gè)數(shù)據(jù)文件存放，也不便于控制.

圖1 文件轉(zhuǎn)換法導(dǎo)入的模型圖

2.2 3DS文件類的讀入方法

由于3DS模型文件中的編輯Chunk、顏色Chunk、材質(zhì)Chunk、紋理Chunk最重要，對(duì)3DS模型起關(guān)鍵性的作用，因此建立讀入3DS文件的類就是怎樣讀入這些關(guān)鍵的Chunk. 在VC++6.0的MFC框架中定義一個(gè)名為3DSload的類，用于3DS文件的讀入與重繪，該類中主要定義了幾個(gè)結(jié)構(gòu)體及主要函數(shù).

1）主要結(jié)構(gòu)體：

a. 顏色結(jié)構(gòu)體

typedef struct {

GLfloat red; 顏色的紅色分量

GLfloat green; 顏色的綠色分量

GLfloat blue; 顏色的藍(lán)色分量

GLfloat alpha;

}OUTGL_RGB;

b. 頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)

typedef struct {

GLfloat u，v; 紋理坐標(biāo)

GLfloat nx，ny，nz; 法向量

GLfloat x，y，z; 坐標(biāo)值

}OUTGL_VERTEX;

c. 對(duì)象結(jié)構(gòu)體M3DSObject用于存取讀入的內(nèi)容

typedef struct{

GLuint NumVertex;

OUTGL_VERTEX *VertexLists;

GLuint NumPolygon;

GLuint strip;

POLYGONLIST *PolygonLists;

}M3DSObject;

2）主要函數(shù)：

M3DSObject* Load3DSObject(char *filename); 讀取3DS文件函數(shù)

void Draw3DSObject(M3DSObject *object);3DS模型重繪函數(shù)

void Unitize3DSObject(M3DSObject *object);3DS模型歸一化函數(shù)將3DS模型歸一化，即將模型平移到原點(diǎn)，并縮放到每個(gè)坐標(biāo)均在[-1,1]的立方體中.

3DSload類編寫完成后即可按下面的步驟導(dǎo)入3DS模型：

1）在MFC的文檔類中添加成員變量M3DSObject *m_Real3DS1用于存取導(dǎo)入的模型.

2）添加OnOpenDocument的消息響應(yīng)函數(shù). 為了能夠?qū)攵鄠€(gè)模型并便于控制，采用顯示列表的方法加載模型. 在OnOpenDocument的消息響應(yīng)函數(shù)中添加源程序：

BOOL CRead3DSDoc::OnOpenDocument(LPCTSTR lpszPathName)

{

glNewList(1，GL_COMPILE);創(chuàng)建顯示列表

m_Real3DS1=Load3DSObject("BASE.3DS");導(dǎo)入第一個(gè)名為BASE.3DS的模型

Draw3DSObject(m_Real3DS1);調(diào)用3DSload類的成員函數(shù)重繪3DS模型

glEndList();

...

glNewList(7，GL_COMPILE);

m_Real3DS2=Load3DSObject("6.3DS");

Draw3DSObject(m_Real3DS2);

glEndList();

}

3）在視圖類中添加成員函數(shù)DrawWithOpenGL()重繪導(dǎo)入模型.

4）在視圖類中響應(yīng)OnPaint()函數(shù)，并在該函數(shù)下調(diào)用DrawWithOpenGL()函數(shù)顯示3DS模型.

編譯運(yùn)行程序即可得到如圖2所示的 6軸機(jī)器人模型. 由圖2可知：由于采用創(chuàng)建顯示列表的方法分別導(dǎo)入機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，容易對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施控制，所以導(dǎo)入的機(jī)器人模型不存在失真. 但是該方法操作比較復(fù)雜，要求編程者對(duì)3DS模型結(jié)構(gòu)有較好的了解，并且有一定的VC++基礎(chǔ).

圖2 3DS文件類讀入方法導(dǎo)入的 6軸機(jī)器人模型圖

3 人機(jī)交互控制的實(shí)現(xiàn)

由3DS文件類的讀入方法導(dǎo)入的3DS模型能很容易地實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和拾取等人機(jī)交互控制.

3.1 模型圖平移、旋轉(zhuǎn)控制的實(shí)現(xiàn)

模型圖平移采用函數(shù)glTranslatef（m_xTranslation, m_yTranslation, m_zTranslation）實(shí)現(xiàn)，其中3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)3個(gè)坐標(biāo)軸. 模型圖旋轉(zhuǎn)采用函數(shù)glRotatef（m_Rotation,x,y,z），其中m_Rotation表示旋轉(zhuǎn)角度，、、的取值為0或1[4]，取1表示該軸即為旋轉(zhuǎn)軸. 例如：glRotatef（30.0f，1.0f，0.0f，0.0f）表示繞軸旋轉(zhuǎn)30o. 通過(guò)平移與旋轉(zhuǎn)可對(duì)圖2中機(jī)器人模型的各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)如圖3所示的效果. 為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，采用鼠標(biāo)右鍵與Ctrl鍵組合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制，鼠標(biāo)右鍵與Shif鍵組合實(shí)現(xiàn)平移控制. 其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖3 平移與旋轉(zhuǎn)后的3DS模型圖

1）定義一個(gè)Bool型變量m_RButtonDown，判斷鼠標(biāo)右鍵是否按下：變量為真表示按下，為假表示松開.

2）定義一個(gè)Cpoint變量存取鼠標(biāo)右鍵按下的位置，該點(diǎn)的位置與鼠標(biāo)平移后松開的位置即可表示為旋轉(zhuǎn)與平移控制函數(shù)的參數(shù)（由于通過(guò)響應(yīng)鼠標(biāo)按下的消息所獲得的點(diǎn)是，平面內(nèi)的二維點(diǎn)，而平移函數(shù)中軸方向的參數(shù)是沒(méi)有辦法獲得的，所以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵移動(dòng)只能使導(dǎo)入的3DS模型在，平面內(nèi)移動(dòng)）.

3）通過(guò)if語(yǔ)句：if(m_ReftButtonDown&&(nFlags&MK_SHIFT/MK_CTRL))判斷是旋轉(zhuǎn)控制還是平移控制.

3.2 模型圖縮放控制的實(shí)現(xiàn)

模型圖縮放采用函數(shù)glScalef(m_xScaling,m_yScaling,m_zScaling)實(shí)現(xiàn)，其中3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)于3個(gè)坐標(biāo)軸的縮放比例. 采用一個(gè)Slider控件控制縮放，縮放函數(shù)的參數(shù)可通過(guò)Slider控件的移動(dòng)獲得，一般將函數(shù)glScalef(m_xScaling,m_yScaling,m_zScaling)中的3個(gè)參數(shù)設(shè)為大小一樣.

3.3 模型圖拾取控制的實(shí)現(xiàn)

在OpenGL程序中拾取是在投影變換（Projection Transformation）階段利用投影變換中歸一化視體操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 拾取時(shí)，我們用一個(gè)選擇框來(lái)選擇物體；設(shè)置模型圖拾取控制函數(shù)gluPickMatrix (,,width,height,viewport[4])，其中,是鼠標(biāo)點(diǎn)擊到窗口上的坐標(biāo)，width和height就是以(,)為中心的拾取框的寬度和高度，viewport是當(dāng)前窗口的大??；初始化名稱堆棧函數(shù)glSelectBuffer (SIZE,selectBuf)，SIZE表示堆棧大小，selectBuf表示堆棧名稱，初始化對(duì)象名稱函數(shù)glInitNames()，加載對(duì)象名稱glLoadName(GLuint name)，name為整型數(shù)，表示加載對(duì)象名稱. 具體實(shí)現(xiàn)模型圖拾取控制的流程如圖4所示.

圖4 實(shí)現(xiàn)模型圖拾取控制的流程

4 結(jié)語(yǔ)

將3DS模型導(dǎo)入OpenGl軟件中，降低了OpenGl復(fù)雜建模的難度，可以得到較真實(shí)的三維復(fù)雜物體模型. 采用在OpenGL程序中引入3DS數(shù)據(jù)模型文件的方法得到了較好的三維效果，同時(shí)可以進(jìn)行人機(jī)交互處理，成果可用于機(jī)器人仿真軟件開發(fā)、3D游戲開發(fā)等領(lǐng)域.

[1] 李新，李?yuàn)檴? 3DS模型在OpenGL中的讀取和重繪[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008, 29(2): 101-104.

[2]OpenGL體系結(jié)構(gòu)審核委員會(huì). OpenGL編程指南[M]. 4版. 鄧鄭祥. 北京：人民郵電出版社，2005.

[3]WRIGHT R S, APCHAK J B. OpenGL超級(jí)寶典[M]. 徐波. 北京：人民郵電出版社，2005.

[4] 張正波，牟彥，黃華，等. OpenGL實(shí)現(xiàn)3DS文件中的模型自由旋轉(zhuǎn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005, 41(13): 98-100.

[責(zé)任編輯：孫建平]

Import and Control of 3DS Models Based on OpenGL

GAOHai-fang1,WANGTian-lei2,QIUJie3,KANGXian-min1,4,WANGDa-cheng1,4

Two methods for importing the 3DS model using OpenGL in the VC + +6.0 environment are studied and the specific implementation procedures and technical points are given. A comparison of the two methods shows that the 3DS file-class method is better than the file conversion method as it causes less model diagram distortion and can easily achieve such human-computer interaction as translation, rotation, scaling and picking up.

OpenGL; 3DS model; human-computer interaction

1006-7302（2010）03-0005-32

TP311

A

2010-03-15

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2008B090500081）

高海芳（1984—），男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化控制，E-mail: gaohaitian125@163.com；王大承，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向：智能控制與測(cè)試、特種加工、摩托車設(shè)計(jì)，E-mail:dcwang@wyu.edu.cn.