基于OpenGL的纹理映射技术

人工智能及识别技术本栏目责任编辑：李桂瑾

电脑知识与技术１引言纹理映射技术产生上个世纪七十年代，是模拟自然景物表面细节的一种有效方法，在生成真实感图形中得到了大量的应用。在过去的几十年中，人们一直通过建模的方法仿真客观世界，由于客观世界千变万化、错综复杂，要把客观世界的各种细微结构直接用几何模型表示出来，不仅模型难以建立，而且计算量庞大，难以满足实时显示的要求。因此，在实际应用中，为了获得比较高的显示速度，往往以牺牲图形的真实感为代价。尽管这样，显示一幅较复杂的图形往往需要好几个小时，并且能满足实时性要求的几何模型一直没有找到。于是，人们就想象是否可以用“贴”墙纸的方法将反映物体表面细节的图案贴到物体表面上，从而开辟了一个新的研究领域———纹理映射（ｔｅｘｔｕｒｅｍａｐｐｉｎｇ）。２ＯｐｅｎＧＬ简述ＯｐｅｎＧＬ是由ＳＧＩ公司推出的独立于操作系统和硬件环境的开放式三维图形库，作为一种用于实时３Ｄ图形的工业标准ＡＰＩ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｍｉｎＩｎｔｅｒｆａｃｅ）已经得到了广泛的认可和接受。ＯｐｅｎＧＬ提供了１５５个图形函数，开发人员可以利用这些函数来构造景物模型，开发三维图形实时交互软件。ＯｐｅｎＧＬ具有强大的图形功能和良好的跨平台移植能力，目前已被广泛应用于可视化技术、实体造型、ＣＡＤ／ＣＡＭ、模拟仿真等诸多领域。纹理映射技术是ＯｐｅｎＧＬ的一个重要的技术，在进行模型转换和投影转换都能执行操作，可用到所有的图元：点、线、多边形、位图和图像上。３纹理的定义和分类我们可以从自然角度、运算角度及分析角度分别给出纹理的定义：从自然角度来看，纹理是在某一确定的图象区域中，以近乎周期的种类和方式重复其自身的局部基本模式元。这一定义由Ｐｒａｔｔ给出，它适合应用于确定类型的线条模式。基于运算角度，纹理是在某一运算表达式规定下，为近乎不变或者近乎周期性的数量表达。此定义由Ｓｋｌａｎｓｋｙ给出，它适合于根据数学的分析方法抽取纹理特征以实现纹理区域分类的应用领域。基于分析角度，纹理为一个宏观的图象区域，其结构可以简单地归结为一些重复性的模式，这些模式的基本模式元依据确定的规则排列，ｆ＝Ｒ（ｅ），式中，Ｒ为关系，ｅ为基本模式元，ｆ为纹理。从上述三个不同形式的定义中，我们可以看出：人们无法依据一个关于纹理的完整的形式化定义来工作，必须根据具体的情况来决定使用那种纹理分析方法。根据纹理定义域的不同，纹理可分为一维纹理、二维纹理和三维纹理；基于纹理的表现形式，纹理可又分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理三大类。颜色纹理是通过颜色色彩或明暗度的变化体现出来的表面细节，它在光滑表面上描绘附加定义的花纹或图案，例如大理石墙面、墙上贴的字画、器皿上的图案等都可用颜色纹理来模拟，如图１（ａ）所示。（ａ）（ｂ）（ｃ）图１颜色纹理、几何纹理与过程纹理几何纹理是指基于景物表面微观几何形状的表面纹理，它是根据粗糙表面的光反射原理，通过一个扰动函数扰动物体表面参数，使表面呈现出凹凸不平的形状，又称为粗糙纹理，如桔子、树干、岩石、山脉等表面呈现的凹凸不平的纹理细节，如图１（ｂ）所示。而过程纹理则表现了各种规则或不规则的动态变化的自然景象，如水波、云、火、烟雾等，图１（ｃ）为一块云的过程纹理。４纹理映射的概念纹理映射技术是指将一个纹理函数映射到三维物体表面来模拟景物的表面细节，是真实感图形生成的有效途径。一般来说，二维纹理定义在一平面区域内，它可以用数学函数解析地表示，亦可以用各种数字化图像来离散定义。这样，该平面区域上的每一点处，均定义有一灰度值或颜色值。我们称该平面区域为纹理空间。在图形绘制时，应用纹理映射方法可方便地确定景物表面上任一可见点Ｐ在纹理空间中的对应位置（ｕ，ｖ），而（ｕ，ｖ）处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面在Ｐ点处的某种纹理属性，如表面法向量、漫反射系数等。以二维纹理为例，其关键点是建立物体空间坐标（ｘ，ｙ，ｚ）与纹理空间坐标（ｓ，ｔ）之间的对应关系，用函数来描述即为：Ｔ（ｕ，ｖ）→Ｏ（ｘ，ｙ，ｚ）（１）收稿日期：２００６－１１－０９作者简介：曾凡涛（１９７４－），男，硕士，工程师。基于ＯｐｅｎＧＬ的纹理映射技术曾凡涛（广东轻工职业技术学院计算机系，广东广州５１００３０）摘要：自然景物的模拟是近年来计算机图形学中具有挑战性的研究方向之一。ＯｐｅｎＧＬ技术是实现真实感图形模拟的重要方法之一。本文使用ＯｐｅｎＧＬ的编程接口，应用纹理映射技术，实现了三维场景的真实模拟。纹理映射技术的应用能增强三维场景绘制的真实感，并能提高三维场景的渲染速度。关键词：ＯｐｅｎＧＬ；纹理映射；三维场景中图分类号：ＴＰ３０１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００７）０３－１０８１２－０２Ｔｅｘｔｕｒｅ－ｍａｐｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎＯｐｅｎＧＬＺＥＮＧＦａｎ－ｔａｏ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｎａｔｕｒａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇｔａｓｋｓｉｎｃｏｍｐｕｔｅｒｇｒａｐｈｉｃｓ．ＯｐｅｎＧＬｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｖｉｖｉｄｓｃｅｎｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｕｓｅｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＯｐｅｎＧＬａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌ－ｏｇｙｏｆｔｅｘｔｕｒｅｍａｐｐｉｎｇ，ｔｈｅｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｓｃｅｎｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｅｘｔｕｒｅｍａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｒｅａｌｉｔｙａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅ３Ｄｓｃｅｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＯｐｅｎＧＬ；ｔｅｘｔｕｒｅｍａｐｐｉｎｇ；３Ｄｓｃｅｎｅ８１２本栏目责任编辑：李桂瑾人工智能及识别技术在（１）式中Ｔ表示纹理空间，Ｏ表示景物空间。例如将一块木柴纹理映射到一个立方体上，其结果如图２所示：图２将一块木板纹理映射到由立方体上来模拟木箱５基于ＯｐｅｎＧＬ的纹理映射尽管纹理映射是一个较复杂的过程，但是大都具备以下几个基本步骤：（１）纹理定义；（２）控制滤波；（３）启用纹理映射；（４）给出纹理坐标和几何坐标以绘制场景。５．１定义纹理正如大多数图像那样，纹理通常被认为是二维的。但是，纹理也可以是一维的或者是三维的。描述纹理的数据，每个纹理单元可以包括１、２、３或４个元素，用来表示从用一个常数，到用（Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ａ）四元组所能表示的任何事物。ＯｐｅｎＧＬ定义二维纹理的函数是ｇｌＴｅｘＩｍａｇｅ２Ｄ（），其函数原型为：ｖｏｉｄｇｌＴｅｘＩｍａｇｅ２Ｄ（Ｇｌｅｎｕｍｔａｒｇｅｔ，Ｇｌｉｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＧＬｓｉｚｅｉｗｉｄｔｈ，ＧＬｓｉｚｅｉｈｅｉｇｈｔ，ＧＬｉｎｔｂｏｒｄｅｒ，ＧＬｅｎｕｆｏｒｍａｔ，ＧＬｅｎｕｍｔｙｐｅ，ｃｏｎｓｔ－ＧＬｖｏｉｄ＊ｐｉｘｅｌｓ）；５．２纹理模式ＯｐｅｎＧＬ对于不同的渲染类型定义三种纹理模式：（１）ＧＬ－ＭＯＤＵＬＡＴＥ，默认模式，在绘制到帧缓存区之前，纹理图像与帧缓存区复合。调整当前亮度和元素信息，使之适应纹理图像；（２）ＧＬ－ＤＥＣＡＬ，纹理图像直接绘制到帧缓存区；（３）ＧＬ－ＢＬＥＮＤ，在绘制到帧缓存区之前，纹理图像与一种常量颜色ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＥＮＶ－ＭＯＤＥ混色。使用ｇｌＴｅｘＥｎｖ（）函数设置纹理模式的举例：ｇｌＴｅｘＥｎｖｉ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＥＮＶ，ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＥＮＶ－ＭＯＤＥ，ＧＬ－ＤＥＣＡＬ）；５．３纹理过滤ＯｐｅｎＧＬ提供两种纹理控制方式：放大滤波和缩小滤波。例如：ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｅｔｅｒｉ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－２Ｄ，ＧＬＴＥＸＴＵＲＥ－ＭＡＧ－ＦＩＬＴＥＲ，ＧＬ－ＮＥＡＲ－ＥＳＴ）ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｅｔｅｒｉ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－２Ｄ，ＧＬＴＥＸＴＵＲＥ－ＭＩＮ－ＦＩＬＴＥＲ，ＧＬ－ＮＥＡＲ－ＥＳＴ）５．４纹理坐标纹理坐标可以包含１、２、３或４个坐标值的，通常用ｓ、ｔ、ｒ和ｑ来表示。ＯｐｅｎＧＬ用函数ｇｌＴｅｘＣｏｏｒｄ（）定义纹理坐标。纹理坐标，纹理矩形大小以及被贴物体的表面形状将直接影响纹理贴图的效果。５．４．１重复和定位纹理纹理坐标位于０．０和１．０之间，当坐标值不在这一范围内时，它们或者被夹紧（ｗｒａｐ＝ＧＬ－ＣＬＡＭＰ，默认），或者重复（ｗｒａｐ＝ＧＬ－ＲＥＰＥＡＴ）。ＧＬ－ＣＬＡＭＰ：纹理坐标到了图像边界时，会在边界处停止。ＧＬ－ＲＥＰＥＡＴ：纹理坐标进行重复，绕转到图像的另一边。用ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｔｅｒｆ（）函数重复和定位纹理，例如在ｓ和ｔ方向上重复纹理：ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｔｅｒｆ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－２Ｄ，ＧＬＴＥＸＴＵＲＥ－ＷＲＡＰ－Ｓ，ＧＬ－ＲＥＰＥＡＴ）；ｇｌＴｅｘＰａｒａｍｅｔｅｒｆ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－２Ｄ，ＧＬＴＥＸＴＵＲＥ－ＷＲＡＰ－Ｔ，ＧＬ－ＲＥＰＥＡＴ）；５．４．２自动生成纹理坐标使用纹理映射构造模型的轮廓图，或者模拟光亮物体表面反射周围场景中的景物效果时，使用ｇｌＴｅｘＧｅｎ（）函数自动生成纹理坐标。ＶｏｉｄｇｌＴｅｘＧｅｎ｛ｉｆｄ｝｛ｖ｝（ＧＬｅｎｕｍｃｏｏｒｄ，ＧＬｅｎｕｍｐｎａｍｅ，ＴＹＰＥ－ｐａｒａｍ）；函数说明：该函数自动生成某一方向上的纹理坐标。Ｃｏｏｒｄ：必须是ＧＬ－Ｓ、ＧＬ－Ｔ、ＧＬ－Ｒ和ＧＬ－Ｑ，分别生成ｓ、ｔ、ｒ和ｑ纹理坐标。（１）创建轮廓图ｐｎａｍｅ为ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＧＥＮ－ＭＯＤＥ，ｐａｒａｍ为ＧＬ－ＯＢ－ＪＥＣＴ－ＬＩＮＥＡＲ时，生成函数对物体顶点坐标（ｘ０，ｙ０，ｚ０，ｗ０）进行线性组合。生成的坐标＝（ｐ１ｘ０，ｐ２ｙ０，ｐ３ｚ０，ｐ４ｗ０），ｐ１、ｐ２、ｐ３和ｐ４的值由ｇｌＴｅｘＧｅｎ（）函数的ｐａｒａｍ参数给出，对ｐ１、ｐ２、ｐ３和ｐ４进行单位化，该函数给定了顶点到平面的距离。例如：若ｐ１＝ｐ３＝ｐ４，ｐ２＝１，则函数给定的是顶点到平面ｙ＝０的距离。顶点到平面一面的距离为正，到平面另一面的距离为负，如果为零则顶点在平面上。一个纹理图像对于移动的物体一直保持不变时，应在物体坐标中指定参考平面，可以使用ＧＬ－ＯＢＪＥＣＴ－ＬＩＮＥＡＲ，在物体表面贴铺木纹；在移动的物体上生成动态的轮廓线，应在视点坐标ＧＬ－ＥＹＥ－ＬＩＮＥＡＲ中指定参考平面。（２）环境映射对于位于场景中表面光滑的物体，在真实世界中，它的表面应该反射出周围环境中的景物。这种效果可以运用ＯｐｅｎＧＬ的环境映射来实现。例如：自动生成支持环境映射的纹理坐标ｇｌＴｅｘＧｅｎｉ（ＧＬ－Ｓ，ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＧＥＮ－ＭＯＤＥ，ＧＬ－ＳＰＨＥＲＥ－ＭＡＰ）；ｇｌＴｅｘＧｅｎｉ（ＧＬ－Ｔ，ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＧＥＮ－ＭＯＤＥ，ＧＬ－ＳＰＨＥＲＥ－ＭＡＰ）；ｇｌＥｎａｂｌｅ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＧＥＮ－Ｓ）；ｇｌＥｎａｂｌｅ（ＧＬ－ＴＥＸＴＵＲＥ－ＧＥＮ－Ｔ）；ＧＬ－ＳＰＨＥＲＥ－ＭＡＰ常量为引用环境映射，创建适当的纹理坐标，并且在ｓ和ｔ方向上指定此常量。６真实感图形的绘制在绘制三维场景时，应用ＯｐｅｎＧＬ纹理映射技术绘制具有真实感场景图。其效果图如图３、图４所示。图３天空和大海纹理映射图图４太阳初升的海面图在图４中通过增加融合、反走样和雾化等一些特殊的显示效果，使生成的场景看起来更有真实感。７结束语在ＶＣ＋＋环境下，使用ＯｐｅｎＧＬ的编程接口，在场景中采用光照、纹理映射等技术，能逼真地再现了三维场景中三维地形的真实感，取得了较好的渲染效果。参考文献：［１］ＰｅａｃｈｅｙＤＲ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｗａｖｅｓａｎｄｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ，４，ｐｐ．６５－７４，１９８６．［２］徐迎庆，等．基于物理模型的流水及波浪模拟［Ｊ］．计算机学报，１９９６，１９［Ｓ］：１５３－１６３．［３］ＤａｖｉｄＦＲｏｇｅｒｓ（美），石教英，等译．计算机图形学的算法［Ｍ］．机械工业出版社，２００２．［４］ＭａｓｏｎＷｏｏ，等．ＯｐｅｎＧＬ编程权威指南［Ｍ］．中国电力出版社