毕业设计论文—生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究

毕业设计论文—生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究内容摘要：

面有不同的朝向，会表现出不同的亮度；对于曲面体，表面的颜色会有光滑过渡；具有相同几何形状但颜色不同的物体，我们可以用其表面的颜色将它们区别出来；在不同的光照射下物体表面显示的颜色和亮度也不同；对于表面较光滑的物体，我们还会看到光源在其上形成的高光区；物体表面有其特有的纹理。 (3) 能表现物体的质感。 物体的质感是由于其材料的属性决定的，不同的材料反映不同的质感。 不同质感的物体对光的作用也不同，主要表现为对不同波长的光 本科毕业设计论文 7 会有不同的吸收率、反射 率、折射率，所以观察光照下的物体可以看出物体的质感。 (4) 能反映 镜像 效果。 镜像 效果是指在特别光滑的表面上可以看见其他物体的图像。 镜像 效果能加深对物体之间相互关系的理解。 (5) 能反映透明效果。 如果所显示的物体是一个透明或半透明的，那么透过这个物体，我们能够看到物体后面的其他物体或背景。 此外， 决定三维图形外观的因素有如下一些： (1) 物体的几何形状。 (2) 物体的表面特性。 这主要是指物体表面的粗糙度、纹理、物体的颜色、吸光率、反光性和透光性。 (3) 光源的特性。 一个物体的外观除了决定于物体本身的 几何形状和表面特性，还与外在因素有关。 一个关键的外部因素就是照亮这个物体的光源。 光源特性主要是指光源的光强分布、光源的光谱 (决定了光的颜色 )和光源的形状 (如点、线、面光源 )三个方面。 (4) 物体与光源的相对位置。 (5) 观察方式。 它通常指视点位置和视屏位置的设定。 (6) 物体周围的环境。 通过对光的反射和折射，形成环境光，在物体的表面上产生一定的照度。 综上所述， 生成一个具有真实感的图形，需要经过建立模型、计算视屏各像素颜色和显示计算结果三个大的步骤。 (1) 其中建立模型主要就是对我们上面谈到物体外观 因素进行设置，包括建立物体的几何模型、设定光源的位置形状及光学特性和设定视点和屏幕的位置几小步 ； (2) 在计算屏幕上各像素的颜色中有几项是必须进行的基本工作。 这些工作包括：不可见面的消除，不可见面有两种，一种是被其他面遮挡的面，从视点看不到，一种是背向视点的面，用消隐算法可去掉物体上不可见面；阴影计算，就是确定物体上那些面受光源的光照，那些面处在其他 物体的阴影中；光照颜色计算 ； (3) 显示计算结果，将计算出的结果在屏幕上显示出来，形成具有真实感的图形。 本科毕业设计论文 8 OpenGL 目 前， OpenGL在国内外 都掀起了热潮，但国内对这一领域介绍的资料并不是很多。 OpenGL（即开放性图形库， Open Graphics Library）是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它源于美国 SGI公司图形工作站开发的 IRIS GL，在跨平台移植过程中发展成为 OpenGL。 SGI在 1992年 7月发布 ，后来成为工业标准。 OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面（ API），具有广泛的可移植性，它独立于硬件系统，操作系统和窗口系统。 OpenGL适用于广泛的计算机环境，从个人计算机到工作站和超级计算机，用户 可利用它创建漂亮的三维图形。 由于许多在计算机 领域 具有领导级别的公司纷纷采用它作为三维图形应用程序设计界面，因此，OpenGL是从事三维图形开发工作的技术人员所 必须 掌握的开发工具。 由于 OpenGL能实现高性能的三维图形功能（实现三维空间、绘制三维物体等），这使得科学计算可视化，仿真可视化技术发展迅速。 可视化系统不仅可以帮助技术人员形象直观地查看仿真结果，而且在一定程度上可以提高设计水平，减少错误的发生。 因此计算机图形技术在各行业，各个领域内得到越来越广泛地应用。 有人说20世纪是计算机多媒体技术发展的世纪， 21世纪 将是虚拟现实飞速发展的世纪，因此，积极推动计算机图形领域的发展将对于国家的经济建设，科学研究具有重要的现实意义。 OpenGL 的基本功能与操作 OpenGL是 一套图形标准，它严格按照计算机图形学原理设计而成，符合光学和视觉理论，非常适合可视化仿真系统。 首先，在 OpenGL中允许视景对象用图形方式表达，如 ： 有物体表面顶点坐标集合构成的集合模型。 这类图形数据含有丰富的几何信息，得到的仿真图像能充分表达出其形体特征；而且在 OpenGL中有针对三维坐标表示的顶点的几何变换，通过该变换可使顶点在三 维空间内进行平移和旋转，对于有顶点的集合表达的物体则可以实现其在空间的各种运动。 其次， OpenGL通过光照处理能表达出物体的三维特性，其光照模型是整体光照 本科毕业设计论文 9 模型，它把顶点到光源的距离、顶点到光源的方向向量以及定点到视点的方向向量等参数代入该模型，计算顶点的颜色。 因此，可视化仿真图像的颜色体现着物体与视点以及光源之间的空间位置关系，具有很强的三维效果。 另外，为弥补图形方法难于生成复杂自然背景的不足， OpenGL提供了对图像数据的使用方法，即直接对图像数据读、写和拷贝，或者把图像数据定义为纹理与图形方法结合在 一起生成视景图像以增强效果。 为增强计算机系统三维图形的运算能力，有关厂家已研制出了专门对 OpenGL进行加速的三维图形加速卡，其效果可与图形工作站相媲美。 OpenGL实质上是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，能十分方便地在各平台之间移植，它不但具有开放性、独立性和兼容性三大特点，还提供了以下基本操作和功能 : (1)建模功能 OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数之外，还提供了比较复杂的三维物体 (如球、锥体，多面体、茶壶等 )以及复杂曲线和曲面 (如 Bezier, NURBS等曲线或曲面 )绘制函数。 (2)变换功能 可以说，无论多复杂的图形都是由基本图元组成并经过一系列变换来实现的。 OpenGL图形库的模型变换有平移、旋转、缩放等多种变换，投影变换有透视投影和正交投影两种变换。 (3)颜色模式设置 OpenGL 应用了一些专门的函数来指定三维模型的颜色。 程序开发者可以选择二个颜色模式，即 RGBA 模式和颜色索引模式 (Color Index)。 (4)光照和材质设置 正如自然界不可缺少光一样，绘制有真实感的三维物体必须 使用 光照处理。 OpenGL光源属性有辐射光、环境光、漫反射光和镜 面光等。 材质是用光反射率来表示。 场景 (Scene)中物体最终反映到人眼的颜色是光的 RGB分量与材质的 RGB分量反射率相乘后形成的颜色。 (5)反走样 本科毕业设计论文 10 在 OpenGL绘制图形过程中，由于使用的是位图，所以绘制出的图像的边缘会出现锯齿形状，称为走样。 为了消除这种缺陷， OpenGL提供了点、线、多边形的反走样技术。 (6)融合 为了使三维图形更加具有真实感，经常需要处理半透明或透明的物体图像，这就需要用到融合技术。 (7)雾化 正如自然界中存在烟雾一样， OpenGL提供了“ fog”的基本操作来达到对场景进行雾化的 效果。 (8)位图显示和图像增强 在图形绘制过程中，位图和图像是非常重要的一个方面。 OpenGL提供了一系列函数来显示位图和图像的操作。 (9)纹理映射 在计算机图形学中，把包含颜色、 alpha 值、亮度等数据的矩 阵 数组称为纹理。 三维景物因缺少景物的具体细节而显得不够真实 ， 为了更加逼真地表现三维景物，OpenGL 提供了纹理映射的功能。 OpenGL 提供的一系列纹理映射函数使得开发者可以十分方便地把真实 图像 贴到景物的多边形上，从而可以在视窗内绘制逼真的三维景观。 (10)双缓存 出色的动画效果是 OpenGL的一大 特色， OpenGL提供了双缓存区技术来实现动画绘制。 双缓存即前台缓存和后台 缓存，后台缓存计算场景、生成动画，前台缓存显示后台缓存一画好的画面。 OpenGL 的体系结构 由于 OpenGL是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理。 OpenGL在 Windows上的实现是基于 Client/Server模式的，应用程序发出 OpenGL命令，由动态链接库 OpenGL32. dll接受和打包后发送到服务器端的 ,然后由它通过的 DDI层发往视频显示驱动程序。 OpenGL的体系结构 本科毕业设计论文 11 图如图 21所示 [4]。 图 21 OpenGL 在 Windows 平台上的体系结构 OpenGL 绘制几何图元 在实际应用中，通常用一组相关的顶点序列以一定的方式组织起来定义某个几何图元，而不采用单独定义多个顶点来构造几何图元。 在 OpenGL 中，所有被定义的顶点必 须放在 glBegin()和 glEnd()两个函数之间才能正确表达一个几何图元或物体，否则， glVertex*()不完成任何操作 [5]。 函数 glBegin(GLenum mode)标志描述一个几何图元的顶点列表的开始，其参数mode 表示几何图元的描述类型。 函数 glEnd()标志顶点列表的结束。 在 glBegin()和glEnd()之间最重要的信息就是由函数 glVertex*()定 义的顶点，必要时 也可 以调用相关的函数 为每个顶点指定颜色、法向、纹理坐标或其他。 应 用 程 序 可安装的客户端驱动程序 Client Server 视频显示驱动程序 硬件相关 DDI 本科毕业设计论文 12 在 OpenGL 中使用颜色 在 OpenGL中通常使用 两 种颜色模式，即 RGBA模式和颜色索引模式。 使用RGBA模式还是使用颜色索引模式要根据所用的硬件和应用的需求来定。 另外，对于明暗处理、光照、纹理映射和雾 化等特殊效果，使用 RGBA模式较使用颜色索引模式更灵活。 因此，本文将采用 RGBA颜色模式。 如果一个具有复杂光滑表面的物体是用一系列的多边形逼近的，而且这些多边形都是单一着色的多边形，那么这个物体看上去像是由一片一片东西拼接起来的，显得非常不自然。 改善浮躁物体表面的外观，方法之一是用更多更小的三角形来做逼近，另一种更为简单的方法是使用多边形的填充颜色产生层次或连续变化，这种技术称为光滑着色。 在 OpenGL中，光滑着色时它的默认处理方法。 设置着色模式函数是 glShadeModel()，该函数的原型如下： ◆ void glShadeModel(Glenum mode) mode指定一种着色模式。 它可取的值为 GL_SMOOTH和 GL_FLAT。 使用GL_SMOOTH时表示光滑着色，使用 GL_FLAT时 表示单一着色。 在 OpenGL 中使用光照 光照对 于模拟三维真实感图形时非常重要的。 事实上，如果没有光照，所制作的三维图形就没有立体感，和二维图形基本没有区别。 OpenGL中的光照是真实光照的一种逼近，它是一个高效的方法，在 OpenGL中可以处理多个光源，也可以单独使用某个光源。 OpenGL所执行的计算 的目的就是计算在颜色缓存中每个象素的最终颜色，如果所构建的三维场景中有光照，则计算是和场景中的光照有关的。 在现实世界中，当光照在非透明物体上时，部分光线被物体吸收，剩余的部分光线被反射。 人眼依靠这种反射光来感知物体的形状、颜色和其他细节。 从光源投向物体的光称为入射光，从物体表面反射回来的光称为反射光。 在 OpenGL的简化光照模型中，将光照分为 4个独立的组成部分：辐射光 (Emitted Light)、环境光 (Ambient Light)、漫反射光 (Diffuse Light)和镜面反射光 (Specular Light)。 本科毕业设计论文 13 在 OpenGL 中使用材质 材质就是通常所说的物体表面的质感。 通过定义三维物体表面的材质可以使物体看上去更为真实。 在 OpenGL中，它是通过定义材料对红、绿、蓝三色光的反射率来近似定义材料的颜色。 材料颜色也分为环境，漫反射和镜面反射成分，它们决定了材料对于环境光，漫反射光和镜面反射光的反射率。 在 OpenGL 中使用纹理映射 纹理映射的用途非常广泛，因此纹理映射是一个涉及面非常广且非常复杂的主题，使用纹理映射时，必须 做出 多种编程决策。 我在初学的时候还觉得纹理是二维的，但 实际上纹理可以是一维的，甚至可以是三维的。 可以将纹理映射到由一组多边形构成的平面或曲面上，并沿一个、两个或三个方向（取决于纹理的维数）重复使用纹理以覆盖表面。 另外，还可以自动将纹 理映射到物体上，从而用纹理来表示物体的等高线或其他属性。 可以对 光照物体进行纹理映射，使其位于房间或其他环境中央时，表面 反射的是周围的景色。 最后，还可以以其他方式将纹理应用于物体表面： 可以直接将它画到物体表面上（类似于贴花），用于调整物体表面的颜色，或者将纹理的颜色和物体表面的颜色进行混合。 例如，使用一大片植被的图像映射到一些连续的多 边形上，以模拟地貌，或者以大理石、木纹等自然物质的图像作为纹理映射到相应的多边形上，作为物体的真实表面。 纹理是一个数组，其中的数据为颜色、辉度或者颜色和 alpha值。 纹理数组中的值通常被称为 纹素。 矩形纹理可能被映射到非矩形区域，所以必须以合理的方式来实现这种映射，这使得纹理映射非常复杂。 在 OpenGL中提供了一 系 列完整的纹理操作函数，用户可以用它们构造理想的物。