李靜

摘要 本文結(jié)合飛行仿真系統(tǒng)的開發(fā)應用，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用方法和技術(shù)特點。紋理映射技術(shù)在虛擬現(xiàn)實（ VR）場景模擬中有著非常重要的作用，采用OpenGL編程接口，能夠增強三維場景繪制的真實性，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)的開發(fā)應用非常廣泛，其中主要用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是計算機圖形學研究中最重要的內(nèi)容之，計算機圖形學一個主要目的就是利用計算機產(chǎn)生真實感圖形。在飛行仿真系統(tǒng)的開發(fā)中，三維飛行場景的建立是非常重要的。紋理映射技術(shù)是OpenGL中廣泛應用的一項重要技術(shù)，能夠極大地提高虛擬場景的真實感，在三維及虛擬空間中是一項基本技術(shù)。它利用紋理圖像可以模擬幾何物體表面的紋理細節(jié)，描述三維場景表面的屬性特征。為此，我們需要建立虛擬場景中的三維物體模型，如天空環(huán)境、地形、飛機跑道、光照環(huán)境和霧環(huán)境等場景。

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，即在一個平面區(qū)域（紋理空間）上預定義出紋理圖案，然后建立物體表面空間和紋理圖案坐標之間的映射關(guān)系，當物體表面的可見點確定后，就可以根據(jù)紋理空間對應點的值將紋理圖案附到物體的表面上。

紋理映射的過程：把T中的紋素映射到幾何對象的每個點上，幾何對象上的每個點又映射到屏幕坐標進行顯示。

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簡單的三維中間表面（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完成，然而，從紋理空間向像素空間的映射有一個不利因素，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算，并能簡化反走樣操作。

1.2.2 兩步紋理映射

首先，把紋理映射到簡單的中介曲面，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?？梢詾槿我夥较虻钠矫?，圓柱面、立方體表面和球面（當中介表面越能接近景物表面時，紋理圖案的變形就越小）。

1.3 紋理映射的基本步驟

1.3.1 紋理的定義

紋理通常可以是一維、二維，在一些應用上也可使用三維紋理進行圖形繪制，但程序中常見的是二維紋理。OpenGL中紋理定義可用函數(shù)glTexImage2D（）指定目標紋理、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（）來實現(xiàn)?？刂茷V波是因為當紋理圖像是方形，而被映射物體是異型時，圖像上的像素不能與屏幕上的像素一一對應，因此局部放大或縮小時，就要定義合適的濾波方式，來適當?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，但當映射到曲面上或變換為屏幕坐標后，紋理的單個像素可能很難與屏幕上像素對應，這樣屏幕上的單個像素可能對應于紋理中單個元素的一部分（放大濾波）或?qū)诩y理中多個元素（縮小濾波）。

（2）紋理的重復和縮限。紋理坐標一般定義在[O，11范圍內(nèi)，如果超出這個范圍，紋理映射可以在坐標s，t方向上進行重復（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*（）來實現(xiàn)，紋理在像素上的應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;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RGBA常量來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 繪制場景，指定紋理坐標

確定物體和紋理坐標以及建立兩者的對應關(guān)系是紋理映射的關(guān)鍵，紋理坐標（s，t）可以利用函數(shù)glTexCoord（）來定義，也可以利用計算機自動形成。對于二維紋理圖像來說，其紋理坐標沿兩個方向的變化范圍均為0.0至1.0，物體坐標則可以取任意值，當紋理坐標對應于物體四角的幾何坐標時，紋理圖像恰好覆蓋整個物體表面。但當物體太大時，一般來說，需要在物體表面進行紋理纏繞以覆蓋整個表面。此時，需要注意的是物體紋理圖像的左右邊緣和上下邊緣應能夠自然相接，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）非壓縮格式前面標記的綠色部分（共12個字節(jié)）表示對于所有的非壓縮TGA格式圖像值都是相同的，通常用于在讀取數(shù)據(jù)時鑒別是否為TGA圖像。

例如：繪制一個立方體，并進行紋理貼圖。

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），所以在進行紋理生成時必須先進行格式轉(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)的不重復字節(jié)

B：連續(xù)的重復字節(jié)

RLE算法應用于RGB格式的圖片壓縮中，則把數(shù)據(jù)分為：

A：連續(xù)的不重復像素顏色值

B：連續(xù)的重復像素顏色值

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

Header（l個字節(jié)）

Data（變長）

讀取其像素數(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)色板和位圖像素數(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

位圖像素數(shù)據(jù)DIB Pixel

一個完整的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位圖的像素數(shù)據(jù)，BMP位圖的顏色陣列部分，像素數(shù)據(jù)的存儲是以左下角為原點。

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，然后對六邊形分別進行貼圖，最后形成天空。通過構(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（可以通過改變紋理環(huán)繞模式），使用OpenGL函數(shù)glTexParameteri設置，參數(shù)包括：GL_REPEAT，GL_CLAMP，GLCLAMP TO EDGE。通過比較，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，測試可知，三種模式下情景的渲染速度沒有明顯不同。

（2）平面天空：繪制一個足夠大的矩形，使之充滿整個屏幕，將包含天空紋理的位圖映射到該矩形，使矩形隨視點變化，并確保繪制的天空總是位于視點的前方，以保證天空始終可見。當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，我們可利用繪制多個多邊形而不是單個多邊形來形成天空模型（使用多幅紋理圖形來完成整個天空建模，避免了紋理的拉伸變形）。

（3）球形法：創(chuàng)建一個巨大的圓頂形半球面，將整個場景框進去，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邊的天空，如圖4所示，天空效果圖如圖5所示。

設球的中心在原點，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。

F（p）=（px，py，pz）=f（R，）

球面可通過一系列三角形來形成一個球面，當三角形足夠多的時候，就可以得到一個理想球面。優(yōu)點：天空模型逼真，符合人們對天空的直觀認識，并且對紋理沒有過高的要求。缺點：建模過程較復雜，編程量大，渲染速度慢，并且隨天空場景越大，系統(tǒng)消耗越大，不適用于大型的天空場景建模。

3.2 地形環(huán)境的建模

隨著計算機圖形硬件和計算機圖形學的發(fā)展，地形的顯示從二維地形圖發(fā)展到三維真實感地形環(huán)境的階段。地形的建模目前主要有兩種方法：真實地形和模擬地形。真實地形現(xiàn)實世界中地形的真實再現(xiàn)，通過獲取實際數(shù)據(jù)來構(gòu)造，這種方式真實感強，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜且生成圖形速度慢。模擬地形通常可以采用隨機生成地形算法和分形算法，本文中著重介紹模擬地形方法，由于飛行場景中地形的建模對真實感要求不高，但對實時性要求較高，此方法生成地形速度較快，在視覺上滿足真實地形的再現(xiàn)。

本文中，地形建模的方法是通過讀取RAW文件中的地形數(shù)據(jù)，然后進行地形渲染的同時進行紋理映射。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文件只是簡單的二進制文件，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。可以使用一個縮放值增加這個間隔，用這個縮放值乘以默認高度值，增加其范圍，這樣可以增加高度范圍，但會使兩個高度之間的誤差變大。

具體實現(xiàn)步驟：

（1）首先通過函數(shù)LoadRawFile（）讀出RAW文件中的數(shù)據(jù)。先將其保存到一個數(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，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頂點數(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生成地形算法來進行地形場景建模。飛行場景對真實感要求不高，而對于地形實時性要求很高。所以，采用基于數(shù)據(jù)模擬方法來模擬地形，通過隨機生成地形算法來獲取的地形高程數(shù)據(jù)，再采用線性差值算法對其生成的地形網(wǎng)格進行平滑處理，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

紋理映射技術(shù)是OpenGL中廣泛應用的一項重要技術(shù)，能夠極大地提高虛擬場景的真實感，在三維及虛擬空間中是一項基本技術(shù)。在虛擬仿真研究中應用很廣泛，是計算機圖形學研究中最重要的內(nèi)容之一，主要目的就是利用計算機產(chǎn)生真實感圖形。在三維飛行仿真場景的開發(fā)中，紋理技術(shù)應用是很常見的，我們需要建立虛擬場景中的三維物體模型，如天空環(huán)境、地形、飛機跑道、光照環(huán)境和霧環(huán)境等場景，并使用紋理技術(shù)為三維場景進行紋理貼圖，增強三維效果，使人身臨其境。

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