紋理映射在飛行仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

李靜

摘要 本文結(jié)合飛行仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，系統(tǒng)地介紹了紋理映射技術(shù)的基本概念，深入剖析了紋理映射的應(yīng)用方法和技術(shù)特點(diǎn)。紋理映射技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)（ VR）場(chǎng)景模擬中有著非常重要的作用，采用OpenGL編程接口，能夠增強(qiáng)三維場(chǎng)景繪制的真實(shí)性，提高了仿真圖形的逼真度。

【關(guān)鍵詞】飛行仿真 紋理映射 OpenGL

飛行仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用非常廣泛，其中主要用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中最重要的內(nèi)容之，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要目的就是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生真實(shí)感圖形。在飛行仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，三維飛行場(chǎng)景的建立是非常重要的。紋理映射技術(shù)是OpenGL中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)，能夠極大地提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感，在三維及虛擬空間中是一項(xiàng)基本技術(shù)。它利用紋理圖像可以模擬幾何物體表面的紋理細(xì)節(jié)，描述三維場(chǎng)景表面的屬性特征。為此，我們需要建立虛擬場(chǎng)景中的三維物體模型，如天空環(huán)境、地形、飛機(jī)跑道、光照環(huán)境和霧環(huán)境等場(chǎng)景。

1 紋理映射技術(shù)

1.1 紋理的基本概念

OpenGL的紋理映射技術(shù)指的是把紋理圖像映射到物體表面，即在一個(gè)平面區(qū)域（紋理空間）上預(yù)定義出紋理圖案，然后建立物體表面空間和紋理圖案坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，當(dāng)物體表面的可見(jiàn)點(diǎn)確定后，就可以根據(jù)紋理空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的值將紋理圖案附到物體的表面上。

紋理映射的過(guò)程：把T中的紋素映射到幾何對(duì)象的每個(gè)點(diǎn)上，幾何對(duì)象上的每個(gè)點(diǎn)又映射到屏幕坐標(biāo)進(jìn)行顯示。

OpenGL的基本工作流程，如圖1所示。

1.2 紋理的映射方式

二維紋理映射的基本方法：

（1）線性紋理映射;

（2）使用兩步映射：首先把紋理映射到一個(gè)簡(jiǎn)單的三維中間表面（球面、圓柱面或立方體）上，然后把帶有映射紋理的中間表面映射到需要繪制的對(duì)象表面。

1.2.1 線性紋理映射

大部分曲面都是用參數(shù)表示的，曲面上任一點(diǎn)P是參數(shù)u和v的函數(shù)。

如果已知參數(shù)曲面，線性映射關(guān)系如圖2所示。

物空間向像空間的映射由觀察和投影變換來(lái)完成，然而，從紋理空間向像素空間的映射有一個(gè)不利因素，即選中的紋理面片常常與像素邊界不匹配，通常需要計(jì)算像素的覆蓋率。因此，我們最常用的紋理映射方法是由像素空間向紋理空間映射，它避免了像素分割計(jì)算，并能簡(jiǎn)化反走樣操作。

1.2.2 兩步紋理映射

首先，把紋理映射到簡(jiǎn)單的中介曲面，稱為s-映射;再將它從中介曲面映射到最終幾何物體表面，稱為o-映射。其中，中介表面通常可以為任意方向的平面，圓柱面、立方體表面和球面（當(dāng)中介表面越能接近景物表面時(shí)，紋理圖案的變形就越?。?。

1.3 紋理映射的基本步驟

1.3.1 紋理的定義

紋理通?？梢允且痪S、二維，在一些應(yīng)用上也可使用三維紋理進(jìn)行圖形繪制，但程序中常見(jiàn)的是二維紋理。OpenGL中紋理定義可用函數(shù)glTexImage2D（）指定目標(biāo)紋理、紋理尺寸、邊界寬度等。

1.3.2 紋理的濾波控制

控制濾波可用函數(shù)glTexParameterf（）來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂茷V波是因?yàn)楫?dāng)紋理圖像是方形，而被映射物體是異型時(shí)，圖像上的像素不能與屏幕上的像素一一對(duì)應(yīng)，因此局部放大或縮小時(shí)，就要定義合適的濾波方式，來(lái)適當(dāng)?shù)目刂茍D形。

（1）縮小或放大濾波。通常紋理圖形為正方形或矩形，但當(dāng)映射到曲面上或變換為屏幕坐標(biāo)后，紋理的單個(gè)像素可能很難與屏幕上像素對(duì)應(yīng)，這樣屏幕上的單個(gè)像素可能對(duì)應(yīng)于紋理中單個(gè)元素的一部分（放大濾波）或?qū)?yīng)于紋理中多個(gè)元素（縮小濾波）。

（2）紋理的重復(fù)和縮限。紋理坐標(biāo)一般定義在[O，11范圍內(nèi)，如果超出這個(gè)范圍，紋理映射可以在坐標(biāo)s，t方向上進(jìn)行重復(fù)（GLREPEAT）和縮限（GL_CLAMP ）。

1.3.3 紋理的映射方式

指定紋理映射方式可用函數(shù)gITexEnv*（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，紋理在像素上的應(yīng)用方式主要包括貼花方式（GL DECAL）：在物體上覆蓋紋理圖像，不讓其下任何物體顏色透過(guò);調(diào)制方式（GL__ MODULATE）：圖像以透明方式貼在物體表面;顏色混合模式（GL BLEND）：使用一個(gè)RGBA常量來(lái)融合物體原色和紋理圖像的顏色。但是在光照下紋理處理效果必須采用調(diào)制方式。

1.3.4 繪制場(chǎng)景，指定紋理坐標(biāo)

確定物體和紋理坐標(biāo)以及建立兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系是紋理映射的關(guān)鍵，紋理坐標(biāo)（s，t）可以利用函數(shù)glTexCoord（）來(lái)定義，也可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)形成。對(duì)于二維紋理圖像來(lái)說(shuō)，其紋理坐標(biāo)沿兩個(gè)方向的變化范圍均為0.0至1.0，物體坐標(biāo)則可以取任意值，當(dāng)紋理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于物體四角的幾何坐標(biāo)時(shí)，紋理圖像恰好覆蓋整個(gè)物體表面。但當(dāng)物體太大時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，需要在物體表面進(jìn)行紋理纏繞以覆蓋整個(gè)表面。此時(shí)，需要注意的是物體紋理圖像的左右邊緣和上下邊緣應(yīng)能夠自然相接，這樣才能使物體表面的紋理表現(xiàn)比較自然。

紋理映射的基本步驟如圖3所示。

2 不同紋理圖片格式的加載

2.1 加載TGA格式的紋理圖片

TGA格式圖像一般有壓縮和非壓縮兩種格式，分別介紹：

（1）非壓縮格式前面標(biāo)記的綠色部分（共12個(gè)字節(jié)）表示對(duì)于所有的非壓縮TGA格式圖像值都是相同的，通常用于在讀取數(shù)據(jù)時(shí)鑒別是否為TGA圖像。

例如：繪制一個(gè)立方體，并進(jìn)行紋理貼圖。

需要注意的是：TGA圖像中數(shù)據(jù)存放的順序是BGR（A），而在OPENGL中順序是RGB（A），所以在進(jìn)行紋理生成時(shí)必須先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。在OpenGL中只能加載24位或32位的TGA圖像生成紋理。

（2）壓縮紋理。TGA的壓縮算法采用了RLE算法，RLE算法的基本思想是將數(shù)據(jù)分為兩大類：

A：連續(xù)的不重復(fù)字節(jié)

B：連續(xù)的重復(fù)字節(jié)

RLE算法應(yīng)用于RGB格式的圖片壓縮中，則把數(shù)據(jù)分為：

A：連續(xù)的不重復(fù)像素顏色值

B：連續(xù)的重復(fù)像素顏色值

然后將數(shù)據(jù)按這兩類數(shù)據(jù)分成若干長(zhǎng)度不相等的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始都是一個(gè)1字節(jié)長(zhǎng)度的header（RLE在純數(shù)據(jù)壓縮中header是2個(gè)字節(jié)16位），后面緊跟著data數(shù)據(jù)塊，如下：

Header（l個(gè)字節(jié)）

Data（變長(zhǎng)）

讀取其像素?cái)?shù)據(jù)部分需要注意一下，需要分情況討論看是A類數(shù)據(jù)還是B類數(shù)據(jù)。2.2加載BMP格式的紋理圖片

BMP位圖文件由四部分組成：位圖文件頭結(jié)構(gòu)、位圖信息頭結(jié)構(gòu)、調(diào)色板和位圖像素?cái)?shù)據(jù)，如表l所示。

表1：BMP位圖文件結(jié)構(gòu)

位圖文件頭信息結(jié)構(gòu)BITMAPFILEHEADER

位圖信息頭結(jié)構(gòu)BITMAPINFOHEADER

調(diào)色板Palette

位圖像素?cái)?shù)據(jù)DIB Pixel

一個(gè)完整的BMP位圖文件，可以分為文件信息頭，位圖信息頭和RGB顏色陣列三個(gè)部分。

（1）文件信息頭主要包含“是否是BMP文件”，文件的大小等信息。

（2）位圖信息頭則主要包括BMP文件的位圖寬度、高度、位平面、通道數(shù)等信息。

（3） RGB顏色陣列，里面包含我們所需的BMP位圖的像素?cái)?shù)據(jù)，BMP位圖的顏色陣列部分，像素?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)是以左下角為原點(diǎn)。

3 三維視景仿真環(huán)境的紋理映射

3.1 自然環(huán)境的建模

方法：

（1）盒子法：利用六個(gè)多邊形彼此相鄰構(gòu)成封閉的六面體。分別表示天空的前面、后面、左面、右面、上面、下面，然后對(duì)六邊形分別進(jìn)行貼圖，最后形成天空。通過(guò)構(gòu)建六邊形貼圖的天空盒，可看出多邊形與多邊形交界處有黑線（可以通過(guò)改變紋理環(huán)繞模式），使用OpenGL函數(shù)glTexParameteri設(shè)置，參數(shù)包括：GL_REPEAT，GL_CLAMP，GLCLAMP TO EDGE。通過(guò)比較，可知使用GL CLAMP_ TO EDGE模式可以很好解決紋理交界處的縫隙痕跡，測(cè)試可知，三種模式下情景的渲染速度沒(méi)有明顯不同。

（2）平面天空：繪制一個(gè)足夠大的矩形，使之充滿整個(gè)屏幕，將包含天空紋理的位圖映射到該矩形，使矩形隨視點(diǎn)變化，并確保繪制的天空總是位于視點(diǎn)的前方，以保證天空始終可見(jiàn)。當(dāng)使用這種方法建立天空模型如果出現(xiàn)紋理失真現(xiàn)象時(shí)，我們可利用繪制多個(gè)多邊形而不是單個(gè)多邊形來(lái)形成天空模型（使用多幅紋理圖形來(lái)完成整個(gè)天空建模，避免了紋理的拉伸變形）。

（3）球形法：創(chuàng)建一個(gè)巨大的圓頂形半球面，將整個(gè)場(chǎng)景框進(jìn)去，然后將天空的紋理圖片映射到半球面上。這樣，我們可以看到一整片浩瀚無(wú)邊的天空，如圖4所示，天空效果圖如圖5所示。

設(shè)球的中心在原點(diǎn)，半徑為R球面方程：X2+Y2+22=R2;

f（p）= X2+Y2+22-R2;其中，p為球面一點(diǎn)。

F（p）=（px，py，pz）=f（R，）

球面可通過(guò)一系列三角形來(lái)形成一個(gè)球面，當(dāng)三角形足夠多的時(shí)候，就可以得到一個(gè)理想球面。優(yōu)點(diǎn)：天空模型逼真，符合人們對(duì)天空的直觀認(rèn)識(shí)，并且對(duì)紋理沒(méi)有過(guò)高的要求。缺點(diǎn)：建模過(guò)程較復(fù)雜，編程量大，渲染速度慢，并且隨天空?qǐng)鼍霸酱?，系統(tǒng)消耗越大，不適用于大型的天空?qǐng)鼍敖！?/p>

3.2 地形環(huán)境的建模

隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，地形的顯示從二維地形圖發(fā)展到三維真實(shí)感地形環(huán)境的階段。地形的建模目前主要有兩種方法：真實(shí)地形和模擬地形。真實(shí)地形現(xiàn)實(shí)世界中地形的真實(shí)再現(xiàn)，通過(guò)獲取實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造，這種方式真實(shí)感強(qiáng)，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且生成圖形速度慢。模擬地形通?？梢圆捎秒S機(jī)生成地形算法和分形算法，本文中著重介紹模擬地形方法，由于飛行場(chǎng)景中地形的建模對(duì)真實(shí)感要求不高，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，此方法生成地形速度較快，在視覺(jué)上滿足真實(shí)地形的再現(xiàn)。

本文中，地形建模的方法是通過(guò)讀取RAW文件中的地形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行地形渲染的同時(shí)進(jìn)行紋理映射。地形數(shù)據(jù)的獲得與地形的渲染方法：首先讀出RAW文件中的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)一定的映射關(guān)系將數(shù)據(jù)映射到地形的高程上。高度圖的格式：高度圖的文件格式是RAW，這個(gè)格式不包含諸如圖像類型和大小信息的文件頭，所以易于被讀取。RAW文件只是簡(jiǎn)單的二進(jìn)制文件，只包含地形的高度數(shù)據(jù)。由于高度圖通常是一張8位灰度圖。它的高度值變化范圍是在0-255之間，其中O（黑色）表示最低高度而255（白色）表示最大高度。可以使用一個(gè)縮放值增加這個(gè)間隔，用這個(gè)縮放值乘以默認(rèn)高度值，增加其范圍，這樣可以增加高度范圍，但會(huì)使兩個(gè)高度之間的誤差變大。

具體實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）首先通過(guò)函數(shù)LoadRawFile（）讀出RAW文件中的數(shù)據(jù)。先將其保存到一個(gè)數(shù)組中，然后將其映射為高程數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)地形的X和Y坐標(biāo)，從RAW文件中讀出的數(shù)據(jù)映射到地形的高程值。

（3）根據(jù)從RAW獲得的三維地形的每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，以三角形面片的形式渲染地形。

同樣，我們也可以采取隨機(jī)生成地形算法來(lái)進(jìn)行地形場(chǎng)景建模。飛行場(chǎng)景對(duì)真實(shí)感要求不高，而對(duì)于地形實(shí)時(shí)性要求很高。所以，采用基于數(shù)據(jù)模擬方法來(lái)模擬地形，通過(guò)隨機(jī)生成地形算法來(lái)獲取的地形高程數(shù)據(jù)，再采用線性差值算法對(duì)其生成的地形網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理，并將其映射到地形高程值。

生成的地形網(wǎng)格如圖6所示，地形紋理效果如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

紋理映射技術(shù)是OpenGL中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)，能夠極大地提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感，在三維及虛擬空間中是一項(xiàng)基本技術(shù)。在虛擬仿真研究中應(yīng)用很廣泛，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中最重要的內(nèi)容之一，主要目的就是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生真實(shí)感圖形。在三維飛行仿真場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)中，紋理技術(shù)應(yīng)用是很常見(jiàn)的，我們需要建立虛擬場(chǎng)景中的三維物體模型，如天空環(huán)境、地形、飛機(jī)跑道、光照環(huán)境和霧環(huán)境等場(chǎng)景，并使用紋理技術(shù)為三維場(chǎng)景進(jìn)行紋理貼圖，增強(qiáng)三維效果，使人身臨其境。

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