基于Android平臺的家具展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、學 號 密 級 基于Android平臺的家具展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)Design and Implementation of Furniture Display System Based on Android Platform學生姓名：所在學院：所在專業(yè)：指導教師：職稱：所在單位：論文提交日期：論文答辯日期：學位授予單位：摘要目前，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，基于Android平臺的移動終端設(shè)備得到了極大的普及，Android平臺的開放性也使得相關(guān)應用越來越豐富；與此同時，不斷成熟的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也在智能移動終端展露頭角，廣泛應用在3D游戲和場景仿真等領(lǐng)域，滿足人們各種各樣的需求。因為手持智能設(shè)備的方

2、便和易用性，未來在Android平臺上的3D開發(fā)將成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的熱門方向。本畢業(yè)設(shè)計旨在開發(fā)一套基于Android平臺的家具展示系統(tǒng)，利用圖像處理領(lǐng)域應用最為廣泛的3D 建模技術(shù)，在Android智能手機上模擬出家具展示的場景。通過3ds Max構(gòu)建家具模型和場景，利用OpenGL ES技術(shù)渲染模型和場景、讀取相關(guān)材質(zhì)貼圖信息、附加真實燈光效果等，用戶可以通過Android手機對場景進行簡單的操作，獲得更好的展示效果。本系統(tǒng)選擇Eclipse與Android SDK為開發(fā)環(huán)境，用Java語言編寫，在Android系統(tǒng)手機上測試與運行。關(guān)鍵詞：Android平臺；虛擬現(xiàn)實；家具展示；Op

3、enGL ES1ABSTRACTNowadays,with the advent of the mobile Internet era, Android platform for mobile terminal equipment has been greatly developed, open Android platform makes the related applications has become increasingly diversly.In the meanwhile, continues mature virtual reality technology is also

4、flied on intelligent mobile terminal , be widely used in 3D games and scene simulation and other areas to meet the needs of a wide variety of people. Because smart handheld devices is convenient and easy to be used, the future development of 3D on the Android platform will become popular application

5、 with the development of virtual reality technology.The thesis aims to develop an Android-based furniture display system using image processing most widely used 3D modeling techniques to simulate the furniture show scenes on the Android smartphone. Furniture models and scenes are constructed by the

6、software of 3ds Max, using OpenGL ES technology renders models and scenes, reads the relevant textures information, additional real lighting effects, users can perform simple operations on the scene through the Android mobile phone, to get a better display effection.The system selects the Eclipse an

7、d the Android SDK development as the software environment, written in Java, testing and running on the Android system mobile phone.Key words: Android Platform; Virtual Reality; Furniture Display;OpenGL ES1XX工程大學學士學位論文目 錄第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 課題相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 Android系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

8、21.3 主要研究內(nèi)容41.4 論文結(jié)構(gòu)5第2章 相關(guān)技術(shù)62.1 Autodesk 3ds Max開發(fā)工具簡介62.2 OpenGL ES簡介72.2.1 OpenGL簡介72.2.2 OpenGL與OpenGL ES72.3 Android系統(tǒng)架構(gòu)簡介82.4 本章小結(jié)10第3章 模型的構(gòu)建113.1 建模與材質(zhì)113.1.1 建模概論113.1.2 材質(zhì)與貼圖123.2 模型的構(gòu)建133.2.1家具模型的構(gòu)建133.2.2場景模型的構(gòu)建153.2.3家具模型與場景模型的合并173.3 本章小結(jié)17第4章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)184.1 引言184.2 開發(fā)環(huán)境的搭建184.2.1 SDK的安

9、裝及環(huán)境配置184.2.2 Eclipse集成開發(fā)環(huán)境的搭建1914.3 OBJ格式模型204.3.1 導出OBJ格式模型204.3.2 OBJ文件結(jié)構(gòu)214.4 模型的解析與繪制234.4.1 場景地面的創(chuàng)建234.4.2 數(shù)學類的相關(guān)準備24 4.4.3 OBJ模型文件和材質(zhì)庫的讀取244.5 視覺變換294.5.1 視圖變換與攝像機294.5.2 投影變換304.5.3 視口變換314.6 光照324.7 人機交互334.8 數(shù)據(jù)分析與測試354.8.1 數(shù)據(jù)分析354.8.2 測試364.9 本章小結(jié)36結(jié)論37參考文獻38攻讀學士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果41致謝421第1章

10、 緒論第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義本課題“基于Android平臺的家具展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”來源于虛擬現(xiàn)實實驗室在研科研項目,是該項目Android版本部分功能的實現(xiàn)。隨著智能手機硬件性能的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智能手機上也得到了越來越廣泛的應用，尤其在室內(nèi)外場景虛擬、3D游戲開發(fā)等方面。在當今家具行業(yè)，普遍面臨著展示空間不足的問題，客戶在購買家具后，無法在宏觀上達到預期的效果?；诖藛栴}，本課題使用主流的3ds Max建模工具來構(gòu)建逼真的家具模型和場景，并在Android平臺上展示出來，而客戶可以用手機或平板電腦對場景進行操作，從宏觀上觀察展示效果，這樣既方便了客戶又節(jié)省了空間，

11、實現(xiàn)利益的最大化。1.2 課題相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1Android系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科技發(fā)展，手機市場也在不斷的發(fā)生變革，從最初的“大哥大”到功能機再到現(xiàn)在的智能機，從1G、2G到3G，現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展到4G?，F(xiàn)在我們所使用的手機已經(jīng)不單單只有打電話發(fā)短信的功能，而更多的是享受手機智能化后帶來的豐富多樣的娛樂和社交功能。在目前主流的智能手機中，主要分為ios系統(tǒng)的蘋果手機和Android系統(tǒng)的智能手機，其中Android系統(tǒng)憑借其開放性，已經(jīng)占據(jù)了全球市場的大部分份額。Android操作系統(tǒng)是Google發(fā)布的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)（android為機器人的意思），是首個

12、為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件，其有著高度的開放性和擁有像Google這樣的一些實力雄厚的公司作為后盾，這使得Android平臺能夠迅速得到廣大群眾的認可1。2013年的第四季度統(tǒng)計顯示，Android平臺手機的全球市場份額已經(jīng)達到78.1%。當前使用Android操作系統(tǒng)的國外手機廠商有三星、摩托羅拉、LG、索尼愛立信等，而國內(nèi)手機廠商也百花齊放，華為、中興、聯(lián)想、酷派、小米、魅族等占據(jù)了市場的相當一部分份額，一掃前幾年國產(chǎn)手機的尷尬局面。其中小米公司基于Android系統(tǒng)深度定制的MIUI系統(tǒng)ROM，深受世界各地的Android系統(tǒng)使用者的好評。并且Android操作系統(tǒng)不僅僅用

13、于智能手機上，平板電腦與智能電視同樣可以搭載Android系統(tǒng)。從2008年9月，谷歌正式發(fā)布Android 1.0系統(tǒng)（Android系統(tǒng)最早的版本）歷經(jīng)5年的時間已發(fā)展到Android 4.4版本。在Android平臺上的應用每周以萬計的數(shù)目在增加，Android應用開發(fā)的領(lǐng)域已經(jīng)涉及到各個行業(yè)。由于Android的平臺的開放性，國內(nèi)外之間的開發(fā)者可以深入的交流，所以國內(nèi)外在Android開發(fā)上差距并不是很明顯。1.2.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實英文簡稱為VR（Virtual Reality），是近年來飛速發(fā)展的高新技術(shù)。它廣泛應用在室內(nèi)設(shè)計、房地產(chǎn)開發(fā)、3D游戲、軍事模擬和醫(yī)

14、學等領(lǐng)域。在室內(nèi)設(shè)計方面，傳統(tǒng)的方式是由設(shè)計師們畫大量的圖紙來規(guī)劃室內(nèi)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在憑借虛擬現(xiàn)實技術(shù)便可以將這樣的思考過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡姷奶摂M物體和環(huán)境，任由室內(nèi)設(shè)計者自己構(gòu)建裝飾虛擬的房間，改變房間的位置和結(jié)構(gòu)，這樣則節(jié)省了很多人力物力。在房地產(chǎn)開發(fā)中，傳統(tǒng)的圖片展示模式已經(jīng)趕不上潮流了，如今運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以完全模擬出房產(chǎn)開發(fā)小區(qū)的建筑模型，讓客戶有身臨其境之感，甚至隨著鏡頭在小區(qū)里漫游。這在我國的北京、上海、廣州、深圳等大城市和國外的日本、美國、英國、加拿大等科技發(fā)達的國家都非常流行，已經(jīng)發(fā)展的比較成熟。在3D游戲開發(fā)中則隨處可見虛擬現(xiàn)實的技術(shù)，游戲中華麗的人物造型，美奐絕倫的游戲場景，絢

15、麗的游戲特效都是用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)的。在軍事和航天工業(yè)中，模擬演習和訓練一直是一個重要的課題，這給虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來了無限的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器2。除此之外利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可模擬出零重力的環(huán)境，來替代非標準的水下訓練宇航員的方法3。在醫(yī)學領(lǐng)域中虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有很深遠的意義，通過虛擬的人體模型，醫(yī)學生可以很快速的了解人體結(jié)構(gòu)，這比傳統(tǒng)的教學方式效率要高的多。作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，美國基本上就代表了國際上虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展水平，目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在

16、用戶界面、感知、后臺軟件和硬件四個方面4;在歐洲，英國的虛擬現(xiàn)實開發(fā)在一些領(lǐng)域上是全面領(lǐng)先的，尤其是在分布式并行處理、輔助設(shè)備(包括觸覺反饋)設(shè)計和應用研究方面;日本則主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實知識庫的研究，在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也處于世界領(lǐng)先地位5。我國的許多高校也都在積極的探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用，相繼建立起虛擬現(xiàn)實實驗室，將科研成果轉(zhuǎn)化為應用。如北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用；浙江大學在建筑方面進行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計的應用；XX工業(yè)大學在人機交互方面的應用；清華大學對臨場感的研究等都頗具特色6。無論是國內(nèi)還是國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)大部分在PC（個人電腦）端實現(xiàn)，不過隨著嵌入式設(shè)

17、備硬件和嵌入式系統(tǒng)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得以在移動智能設(shè)備上運用。其中游戲領(lǐng)域把虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)揮到了極致，當前許多電子游戲界的巨頭已經(jīng)紛紛登陸移動平臺，例如EA、GAMELOFT等，其中不乏重量級的三維巨作，例如GAMELOFT的現(xiàn)在戰(zhàn)爭4、EA的極品飛車等，華麗的視覺效果，一點不輸給電腦上的3D游戲。目前，國內(nèi)的游戲開發(fā)公司無論是質(zhì)還是量和國外還有很大的差距。在傳統(tǒng)家具行業(yè)，普遍面臨空間場景不足的問題，虛擬展示為家具行業(yè)提供了廣闊的前景，目前國內(nèi)外在PC端家具虛擬展示已達到商業(yè)化的程度，但是在嵌入式發(fā)展迅猛的今天，需求在不斷發(fā)生變化，怎么方便的向客戶推銷家具及展示是家具行業(yè)需要考慮的問題。

18、國外的家具行業(yè)領(lǐng)頭羊宜家公司再一次走在了前列，用戶通過下載 ios 和安卓的客戶端，宜家現(xiàn)在首次實現(xiàn)了用戶用智能手機把虛擬家具投放到他們的客廳里。但是值得注意的是，目前這項預覽技術(shù)只適用于一部分的家具，而不是所有的宜家家具產(chǎn)品；為了達到最佳的預期效果，用戶需一本訂制的 2014 年度產(chǎn)品畫冊來配合客戶端App的工作；除了直接在頁面上掃描支持此功能的家具然后進行預覽之外，用戶還可以以畫冊作為錨點，來預覽家具的現(xiàn)實效果7。國內(nèi)也有不少公司在研究這一技術(shù)，但是核心算法仍然掌握在國外公司手里。宜家公司的這項技術(shù)只適用于某些家具，實際上就是目前只能支持一些簡單的家具模型，因為必須考慮到移動設(shè)備的硬件性能

19、，減少客戶的等待時間，不得不平衡一下模型的復雜程度。但是目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在移動設(shè)備上應用具有廣闊的前景，無論是硬件設(shè)備廠商還是軟件開發(fā)公司都在不斷向前努力。在軟件方面，OpenGL（一套應用在圖形開發(fā)的應用程序編程接口）經(jīng)歷了這么多年的發(fā)展，也推出了它的子集OpenGL ES，專為嵌入式設(shè)備處理三維圖形，由Khronos（一個圖形軟硬件協(xié)會）進行定義與推廣。從OpenGL ES 1.X到OpenGL ES 2.0再到現(xiàn)在的OpenGL ES 3.0每一次的版本升級，都帶來了更加強大的三維圖形的渲染能力。在硬件方面，嵌入式CPU的發(fā)展也非常迅速。美國的高通公司在智能手機領(lǐng)域大名鼎鼎，許多國內(nèi)外的

20、智能手機廠商都采用了高通的處理器。2014年2月高通公司發(fā)布了兩款最新的64位移動系統(tǒng)芯片驍龍610和615。這標志著手機處理也即將進入64位時代，這無疑對移動設(shè)備三維圖形開發(fā)者是個好消息。另一家美國芯片公司英偉達也將重心轉(zhuǎn)移到移動領(lǐng)域，其推出的移動處理器Tegra K1，號稱目前性能最強勁的移動處理之一。我國的華為公司也在研發(fā)移動處理器，其中海思系列的CPU已經(jīng)在其自己生產(chǎn)的手機上投入使用，不過性能上和前兩個公司還是有很大的差距。軟件和硬件在技術(shù)上的不斷革新，為虛擬現(xiàn)實在移動平臺上提供了無限可能。不過，國內(nèi)高校和科研機構(gòu)在移動平臺上虛擬展示方面處于探索階段。北京工業(yè)大學對基于手機Androi

21、d平臺的虛擬校園漫游系統(tǒng)的應用做了前景分析，貴州大學在Android平臺上實現(xiàn)了恐龍博物館的虛擬展示，這個系統(tǒng)能夠通過3D恐龍模型實現(xiàn)與用戶的互動，具有較強的實用性、開發(fā)指導性和科普知識宣傳的意義8，但是畫面效果有點類似3D游戲仍有待改進。無論是虛擬現(xiàn)實還是增強現(xiàn)實，在移動設(shè)備上家具虛擬展示方面還有很多文章要做，比如如何平衡硬件性能與家具模型的復雜度，如何增強與客戶的交互性等等，關(guān)于這方面的研究還有很長的路要走，但是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在移動設(shè)備上的應用前景十分光明。 1.3 主要研究內(nèi)容本設(shè)計初步建立一套基于Android平臺的家具展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠模擬家具展示場景，通過添加合適光源，附加材質(zhì)貼圖

22、，調(diào)整觀察角度等方式使家具能夠更加自然的在Android手機或平板上展示出來。設(shè)計初級階段，上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，了解課題相關(guān)的研究。由于本設(shè)計需要構(gòu)建大量的復雜模型，必須使用外部的建模工具，所以本設(shè)計采用當前最流行、使用最廣泛的三維的動畫軟件Autodesk 3ds Max。我們知道三維建模之后所生成的模型會以文件的形式呈現(xiàn)，模型文件一般分為字符記錄類型和二進制記錄類型，3ds Max默認生成的是二進制3ds格式文件，我們需要將3ds文件導出為字符記錄型的OBJ格式文件，以便后續(xù)在Android平臺渲染出來。一般在Android平臺渲染出一個外部模型需要三個步驟：第一步讀取模型文件；第二步對文件

23、中三維模型的信息進行解析；第三步通過各種變換后在場景中把模型渲染出來。設(shè)計的中期主要是實現(xiàn)模型的合并與導入算法的設(shè)計，因為構(gòu)建某些復雜模型時是分開的，最后需要將他們合并在場景內(nèi)，這其中需要反反復復的控制調(diào)整各個模型的尺寸與位置，否則很容易出現(xiàn)沙發(fā)比房子大的情況。在編寫導入算法的時候需要用到OpenGL ES這個嵌入式設(shè)備版本的圖形開發(fā)應用程序編程接口，它封裝了許多數(shù)學庫函數(shù)，在當前行業(yè)領(lǐng)域中備受青睞。導入算法的主要難點是既要保證導入模型的復雜度即逼真程度，又要保證在Android平臺的渲染時間，經(jīng)過了不斷的研究，本設(shè)計的算法在二者之間達到了很好平衡，取得了預期的效果。設(shè)計的后期主要是一些測試工

24、作，測試采用雙核的Android智能手機，進行了一些數(shù)據(jù)的采集分析和文檔的整理。本文主要闡述了基于Android平臺家具展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，著重介紹了如何構(gòu)建三維家具模型與場景、將構(gòu)建好的模型在Android平臺上渲染出來以及在Android手機上對場景進行一些簡單操作。1.4 論文結(jié)構(gòu)第1章是緒論部分。闡述了課題來源、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、背景和目的意義。概述論文的主要內(nèi)容與論文的組織結(jié)構(gòu)。第2章相關(guān)技術(shù)。包括Autodesk 3ds Max工具介紹、OpenGL ES圖形接口的介紹、Android系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的簡介。第3章是模型的構(gòu)建。介紹了本設(shè)計中家具模型和場景的構(gòu)建以及家具模型與場景的合并

25、。第4章是系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。介紹了開發(fā)環(huán)境的搭建以及一些相關(guān)功能的具體實現(xiàn)，并且對設(shè)計結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析與測試。5XX工程大學學士學位論文第2章 相關(guān)技術(shù)本家具展示系統(tǒng)是基于Android平臺實現(xiàn)，用Java語言編寫，通過使用主流的3ds Max2013建模工具構(gòu)建家具模型和場景，利用OpenGL的嵌入式版本OpenGL ES圖形接口，最終在Android系統(tǒng)手機上運行，現(xiàn)在對開發(fā)中用到的工具和技術(shù)作簡單的說明。2.1 Autodesk 3ds Max開發(fā)工具簡介Autodesk 3ds Max是由Discreet公司開發(fā)設(shè)計的（后來被Autodesk公司所合并）基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作

26、軟件開發(fā)工具。它的前身是運行在PC機DOS平臺上的3D Studio，擁有悠久的歷史。在當今三維動畫制作領(lǐng)域，3ds Max、Maya、Softimage|XSI等幾大軟件占據(jù)了大部分市場份額，它們各自以其獨特的優(yōu)勢擁有大量用戶，其中又以3ds Max的使用更為廣泛9。本設(shè)計便是采用3ds Max作為建模工具。 圖2.1 3ds Max2013的工作界面1 3ds Max具有很多突出的特點，比如對PC系統(tǒng)配置要求不高、可以安裝插件提供3D Studio Max所沒有的功能以及增強原本的功能、強大的角色動畫制作能力等等。在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、三維動畫、多媒體制

27、作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領(lǐng)域10。2.2 OpenGL ES簡介2.2.1 OpenGL簡介OpenGL（Open Graphics Library）是一套應用于圖形開發(fā)的應用程序編程接口。開發(fā)人員可以通過使用OpenGL編寫出對圖形硬件具有訪問能力的程序，因為程序非常接近底層，運行效率非常高。OpenGL是一個與硬件無關(guān)的軟件接口，可以在不同的系統(tǒng)之間實現(xiàn)移植，例如Windows、UNIX、Linux、MacOS等1。2.2.2 OpenGL與OpenGL ESOpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）是OpenGL的嵌入式系統(tǒng)版本，是專門為手機、

28、平板電腦、控制臺游戲機、游戲掌機以及和其他類型的一些嵌入式設(shè)備所設(shè)計的OpenGL版本。OpenGL ES API主要由Khronos（一個圖形軟硬件行業(yè)協(xié)會）進行定義與推廣，Khronos主要關(guān)注圖形和多媒體方面的開放標準。 圖2.2 OpenGL ES 1.X固定渲染流水線1 第2章 相關(guān)技術(shù) 經(jīng)過多年的發(fā)展，OpenGL ES主要分為兩個版本：一個是OpenGL ES 1.X版本,采用的是固定渲染管線；另一個是OpenGL ES 2.0版本，采用的是可編程渲染管線。本設(shè)計使用的前者。渲染管線又稱為渲染流水線，其本質(zhì)上由顯示芯片內(nèi)部處理圖形信號的并行處理單元組成，這些處理單元兩兩之間是相互

29、獨立的。OpenGL ES 1.X固定渲染流水線如圖2.2所示。圖形數(shù)據(jù)（頂點、線段、三角面）從流水線的開端（OpenGL ES API）輸入經(jīng)過流水線的各個階段（圖元處理、變換與光照、圖元裝配、光柵化、紋理處理、顏色累加、霧化、Alpha測試、深度測試與模板測試、顏色緩沖混合、圖像抖動）進行處理后最終達到流水線的末端（幀緩沖），最終在設(shè)備屏幕上被顯示出來。2.3 Android系統(tǒng)架構(gòu)簡介Android的系統(tǒng)架構(gòu)可分為四個層面（如圖2.3所示）：應用層（Applications）、應用結(jié)構(gòu)層（Application Framework）、系統(tǒng)運行庫層（Android Runtime）和Lin

30、ux內(nèi)核層（Linux Kernel）。圖2.3 Android的系統(tǒng)架構(gòu)應用層主要是指開發(fā)者使用Java語言編寫的能在Android系統(tǒng)中運行的應用程序集合，例如系統(tǒng)自帶的通訊錄、瀏覽器、電話撥號程序、播放器等。應用架構(gòu)層是指開發(fā)者在開發(fā)Android應用程序過程中所使用的各種系統(tǒng)API，例如系統(tǒng)視圖（View System）、用戶界面、資源管理器（Resource Manager）、窗口管理器（Windows Manager）、活動管理器（Activity Manager）、位置管理器（Location Manager）等。系統(tǒng)運行層包含了一些底層的C/C+開發(fā)類庫，這些類庫是Androi

31、d應用程序上層功能的重要支撐，其中包括Bionic、SGL、SSL、SQLite、Webkit、FreeType、OpenCORE、OpenGL ES等。Linux內(nèi)核層是軟件層和硬件層之間的橋梁，保障系統(tǒng)底層機制的正常運作，例如、系統(tǒng)的安全性保障、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理和系統(tǒng)驅(qū)動管理、內(nèi)存管理、進程管理等。Android的Linux核心是基于Linux 2.6內(nèi)核的，Android操作系統(tǒng)的正常運行有賴于一系列設(shè)備的驅(qū)動程序，其中包括顯示驅(qū)動(Display Driver)、攝像頭驅(qū)動(Camera Driver)、藍牙驅(qū)動(Bluetooth Driver)、Flash閃存驅(qū)動(Flash Memo

32、ry Driver)、Binder IPC驅(qū)動(Binder IPC Driver)、USB驅(qū)動(USB Driver)、觸鍵驅(qū)動(Keypad Driver)、WiFi驅(qū)動(WiFi Driver)、音頻驅(qū)動(Audio Driver)以及電源管理(Power Management)等。 在實際的開發(fā)中與我們常打交道的就是Android的應用架構(gòu)層，我們需要調(diào)用系統(tǒng)提供的不同API去開發(fā)我們的應用程序，這一系列的API是搭建Android應用程序的重要工具，詳細地了解應用架構(gòu)層更有助于我們理解Android應用程序的架構(gòu)。Android應用程序架構(gòu)主要主要包括以下部分的內(nèi)容： 內(nèi)容提供器(C

33、ontent Providers)：主要用于實現(xiàn)應用程序間的數(shù)據(jù)共享與存儲。 活動管理器(Activity Manager)：主要用于管理應用程序的生命周期以及導航轉(zhuǎn)向。 系統(tǒng)視圖(View System)：用于構(gòu)建應用程序的可視化用戶界面，例如按鈕、文本框、文本標簽以及畫布等。 電話管理(Telephone Manager)：用于設(shè)備基本的移動通信功能的管理。 位置管理器(Location Manager)：用于為提供位置信息服務，例如獲取GPS的數(shù)據(jù)等。 資源管理器(Resource Manager)：提供各種資源給應用程序使用，例如文本資源、顏色資源、圖片資源和多媒體資源等。 通知管理(

34、Notification Manager)：使應用程序可以在狀態(tài)欄中顯示警告信息或通知信息。2.4 本章小結(jié)本章針對該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能以及開發(fā)過程中需要使用的工具和技術(shù)做了闡述，同時對接下來各章關(guān)于系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)做了技術(shù)上的鋪墊。9 第3章 模型的構(gòu)建第3章 模型的構(gòu)建本系統(tǒng)的設(shè)計目的是在Android平臺向人們展示家具，雖然使用OpenGL ES可以進行簡單建模，但是對于更為復雜的模型，就必須得靠外部的建模工具而實現(xiàn)。本章主要闡述用3ds Max2013建模工具構(gòu)建家具模型的方法和過程。3.1 建模與材質(zhì)3.1.1 建模概論建模是三維制作中的基礎(chǔ)，是三維建模的第一步，也是三維世界中的核心

35、。離開了模型這一載體，材質(zhì)、渲染以及動畫都毫無意義。3ds Max具有多種建模手段。除了內(nèi)置的幾何體模型（包括長方體、圓柱體、球體、圓錐體等）、對圖形的擠壓、車削、放樣建模以及復合物體等基礎(chǔ)建模，還有多邊形建模、面片建模、NURBS建模等高級建模11。下面分別對這這三種建模手段簡單介紹： 1、多邊形建模 多邊形建模是最經(jīng)典和傳統(tǒng)的一種建模方法。它是一種古老的建模體系，在3ds Max中多邊形建模方法很容易掌握，非常適合初學者學習。3ds Max的多邊形建模主要有兩個命令：可編輯網(wǎng)格（Editable Mesh）和可編輯多邊形（Editable Poly），所有的幾何體類型都可以以塌陷形式變?yōu)榭?/p>

36、編輯多邊形網(wǎng)格，并且曲線也可以塌陷，封閉的曲線可以塌陷為曲面，這樣我們就得到了多邊形建模的原料多邊形曲面12。編輯網(wǎng)格方式建模兼容性很好，它的優(yōu)點是構(gòu)建的模型占用系統(tǒng)資源最少，而運行速度卻最快，在比較少的面數(shù)下也能制作較復雜的模型。它將多邊形劃分為三角面，可以通過使用編輯網(wǎng)格修改器或直接把物體塌陷成可編輯網(wǎng)格。這也是本設(shè)計主要用到的建模手段。2、面片建模 面片建模是介于多邊形建模和NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模之間的建模方法。面片建模的優(yōu)勢是編輯頂點數(shù)較少，可用比較少的細節(jié)來制作出光滑的物體表面和表皮的褶皺。所以它很適合創(chuàng)建生物模型。3、NURBS建模NURBS（非均勻有理B樣條曲線）

37、是建立在數(shù)學原理的公式基礎(chǔ)上的一種建模方法。它基于控制節(jié)點來調(diào)節(jié)模型表面曲度，自動計算出表面精度，相比較于面片建模，NURBS建?？墒褂酶俚目刂泣c來表現(xiàn)相同的曲線，但是由于曲面的表現(xiàn)是由曲面的算法來決定的，而NURBS曲線函數(shù)相對于面片建模更加高級12，因此對PC的要求也最高。本設(shè)計多為家具模型，很少用到NURBS建模方法。3.1.2 材質(zhì)與貼圖模型建好之后還需要“有華麗的裝飾”材質(zhì)。材質(zhì)用于模擬真實物體表面的特性，如紋理、顏色、自然光和不透明度等。在3ds Max中，材質(zhì)是一個獨立的概念，和染色工具一樣，它可以為模型添加色彩、光澤和紋理效果。材質(zhì)的編輯和指定都是在材質(zhì)編輯器中完成的，如圖3

38、.1所示為材質(zhì)編輯器窗口。圖3.1 材質(zhì)編輯器窗口材質(zhì)包括基本材質(zhì)屬性和貼圖兩個基本的概念，本設(shè)計大部分家具用到的是貼圖，只有少部分采用材質(zhì)屬性。 1、基本材質(zhì)屬性一個標準的材質(zhì)包括多種基本屬性，比如“明暗器”類型、特殊“明暗器”效果、各區(qū)色彩、高光強度、發(fā)光與透明、反射和折射等。這些屬性的相互調(diào)用使得模型更加接近真實世界。 2、貼圖材質(zhì)表面的各種紋理效果都是通過貼圖產(chǎn)生的，它可以配合基本材質(zhì)屬性，使模型更加逼真。貼圖可以從網(wǎng)上的素材庫下載，也可以自己使用Photo Shop制作，甚至可以拿數(shù)碼相機從真實世界取材。3.2 模型的構(gòu)建3.2.1家具模型的構(gòu)建在了解了建模和材質(zhì)的相關(guān)知識后，接下來

39、將介紹本設(shè)計中所用的家具模型的制作過程。本設(shè)計中構(gòu)造的家具模型有茶幾、沙發(fā)、凳子、桌子、柜子、電視、茶杯等。由于篇幅的關(guān)系，這里將挑選一些典型的例子進行介紹。1、 茶幾的構(gòu)建 茶幾是最為簡單的家具模型，它由兩個長方體作為茶幾面和四個圓柱體作為茶幾腿，然后反復調(diào)整他們之間的位置，即可拼成一個茶幾，這里的茶幾面需要在基本材質(zhì)屬性里設(shè)置不透明度，因為在真實的世界里茶幾面一般為玻璃面。然后附上茶幾面和茶幾腿的貼圖，一個茶幾模型就構(gòu)建完成了。如圖3.2所示為未添加貼圖時茶幾模型，圖3.3為添加貼圖后的茶幾模型。圖3.2未添加貼圖的茶幾模型圖3.3添加貼圖的茶幾模型 通過比較可以發(fā)現(xiàn)，添加貼圖后的茶幾更加

40、真實。后邊的模型就不再一一對比了。 2、沙發(fā)的構(gòu)建沙發(fā)模型的構(gòu)建則相對于茶幾要稍微復雜一些，因為沙發(fā)存在不規(guī)則的曲面，并不像茶幾那樣幾個簡單的規(guī)則集合體相互拼湊就可以構(gòu)建出。這里就用到了前面所提到的高級建模手段，多邊形建模里的可編輯多邊形方法，用它進行分形迭代可以做出塌陷，使沙發(fā)的靠枕變成不規(guī)則的形狀，看來更真實，不過這使沙發(fā)的面數(shù)比茶幾高出非常多，關(guān)于模型的面數(shù)問題會在后續(xù)章節(jié)中有詳細的介紹。如圖3.4為構(gòu)建好的沙發(fā)模型。 圖3.4沙發(fā)模型 3、柜子的構(gòu)建 柜子的模型看起來是由多個長方體拼接而成的，但是實際上并沒有那么簡單。這里需要用到Box指令（繪制長方體、立方體的命令，可以輸入數(shù)值修改尺

41、寸大?。?，首先按照既定的尺寸繪制一個長方體，然后選好下榻的多邊形，并添加線條作為柜子邊，然后向內(nèi)擠出，這期間可以調(diào)節(jié)柜子邊的厚度。柜子的把手可以繪制一個長方體，然后進行切角操作，并添加平滑處理，放在柜子門的相應位置。最后為模型附上貼圖，柜子模型就基本完成了。如圖3.5為柜子模型。 圖3.5 柜子模型其他家具模型的構(gòu)建大同小異，用到的方法也都相似，這里就不在一一介紹了。3.2.2場景模型的構(gòu)建家具模型建好之后，我們還要一個展示的場景，本設(shè)計的場景為一個長方體，場景模型有一個門和一個窗子，內(nèi)部有地面和踢腳線。因為考慮到有門和窗子的存在，墻壁需要分層，而不能是簡單的長方體。墻壁分為上層、中層、底層三

42、個部分，是由編輯樣條線擠出構(gòu)建的。由于窗子是打開的，在展示時窗子外邊可能是漆黑的，所以距離窗子外一定的距離設(shè)置了一個假風景，由室內(nèi)向室外觀看時不至于太唐突。天花板則由一塊長方體和墻壁拼接而成。另外房屋的長寬高比例也經(jīng)過一定的調(diào)查而設(shè)計的，雖然并不是現(xiàn)實生活中的尺寸大小，但是它們之間的比例符合生活的常識。如圖3.6和圖3.7所示分別為展示場景的室內(nèi)效果和室外效果圖。 圖3.6場景室內(nèi)效果圖 圖3.7場景室外效果圖3.2.3家具模型與場景模型的合并家具模型和場景模型建好之后，我們還需要把家具模型導入到場景中。因為之前家具模型和場景模型是分開構(gòu)建的，所以我們需要使用3ds Max中的合并功能將家具和

43、場景一個一個的合并。這個過程雖然不難但是非常的繁瑣，家具與家具之間的尺寸大小必須經(jīng)過二次調(diào)整，如不調(diào)整則可能出現(xiàn)茶杯比茶幾還大的情況，同理家具與場景的尺寸大小也需要調(diào)整，可以使用3ds Max中的縮放功能實現(xiàn)。另外，家具在場景中的位置也很重要，必須耐心的進行移動旋轉(zhuǎn)等操作，使家具出現(xiàn)在適當?shù)奈恢?，以避免出現(xiàn)家具懸空等情況的出現(xiàn)?？傊@個過程需要很大的耐心。如圖3.8為合并后的效果圖。 圖3.8 家具與場景模型合并后的效果圖3.3 本章小結(jié)本章主要闡述了利用3ds Max工具構(gòu)建家具模型和場景模型以及它們之間合并的過程，著重介紹了幾種高級建模手段以及材質(zhì)貼圖的相關(guān)知識。本章所實現(xiàn)的內(nèi)容是整個設(shè)計

44、中的“物質(zhì)”基石，為系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)打下堅實基礎(chǔ)。17 第4章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第4章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)4.1 引言本系統(tǒng)采用3ds Max作為家具模型和場景建模工具，利用OpenGL ES圖形接口實現(xiàn)模型的導入和渲染，最終在Android系統(tǒng)手機上展示。系統(tǒng)中主要用到的編程語言為Java。OpenGL ES是OpenGL的簡化版，剔除了OpenGL中的一些低性能的操作，簡化之后的OpenGL ES更適用于移動智能設(shè)備。一般情況下，嵌入式設(shè)備的運行條件比較糟糕，時常會面對碰撞、沾水、摩擦等問題，而且沒有持續(xù)穩(wěn)定的電源，在如此的條件下實現(xiàn)圖形或模型渲染和人機交互，是這個OpenGL簡化版本的主要

45、任務。為了開發(fā)的順利進行，我查了相關(guān)API，仔細對比了OpenGL與OpenGL ES的一些區(qū)別，其中對本設(shè)計很重要的一項就是：OpenGL ES只支持三角面的平面類型。曾經(jīng)在系統(tǒng)開發(fā)過程中，總是導入不了家具模型，后來才發(fā)現(xiàn)在用3ds Max導出模型的時候有個選項沒有改為三角面?？傊谑褂肙penGL ES的時候一定要對比它和OpenGL的一些區(qū)別，以免犯下不必要的錯誤。本系統(tǒng)的開發(fā)是在Eclipse編譯環(huán)境中，需要安裝ADT（Android Development Tools），它為Android開發(fā)提供開發(fā)工具的升級和變更。由于開發(fā)的時候往往需要3ds Max和Eclipse同時運行，使用

46、Android虛擬機進行運行調(diào)試處理三維圖像是根本不可能的，所以本系統(tǒng)的后期運行與調(diào)試都是Android系統(tǒng)手機上運行的。本系統(tǒng)從目前家具行業(yè)的需求出發(fā)，圍繞家具展示這一話題，通過各種技術(shù)和工具的運用將傳統(tǒng)的家具行業(yè)與信息化產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，并搭載當今最主流的Android平臺，在Android手機或平板上實現(xiàn)了家具和場景的虛擬展示，對家具行業(yè)的新型促銷手段有一定的借鑒意義。4.2 開發(fā)環(huán)境的搭建在家具展示系統(tǒng)開發(fā)正式啟動之前，首先要搭建開發(fā)環(huán)境，主要包括Android SDK的安裝及環(huán)境配置和Eclipse集成開發(fā)環(huán)境的搭建。4.2.1 SDK的安裝及環(huán)境配置搭建Android平臺，首先要安裝Ja

47、va的JDK以及配置環(huán)境變量。具體步驟如下： 登陸Oracle網(wǎng)站下載最新的JDK安裝程序。下載完成后，安裝JDK安裝包，可以選擇安裝到默認目錄下,也可以自定義安裝。 鼠標右鍵“我的電腦”，選擇屬性高級環(huán)境變量，添加path變量，值設(shè)置為：C:Program FilesJavajdk1.6.0bin。 在環(huán)境變量中配置JAVA_HOME，在系統(tǒng)變量中添加JAVA_HOME，值設(shè)為：C:Program FilesJavajdk1.6.0。 在安裝完JDK后，接著需要安裝Android SDK，具體步驟如下： 登錄網(wǎng)站下載最新的SDK，本設(shè)計使

48、用的版本是2.3。將下載好的SDK壓縮包解壓到硬盤目錄下，在環(huán)境變量中配置參數(shù)，配置系統(tǒng)變量path的值為：C:Program Filesandroid-sdk-windowstools13。至此環(huán)境變量配置完成，單擊確定按鈕完成配置。4.2.2 Eclipse集成開發(fā)環(huán)境的搭建在完成了SDK的安裝及配置后，就可以安裝和配置Eclipse集成開發(fā)環(huán)境了，具體步驟如下： 首先登陸Eclipse網(wǎng)站/downloads/,下載Eclipse。 將下載完的Eclipse安裝包解壓到硬盤下，雙擊eclipse.exe文件打開Eclipse。在Help菜單中選擇

49、Install New Software，進入Install界面，接下來安裝ADT，在Install界面中單擊Add按鈕，在Name中課隨意輸入名字，在Location中輸入：/android/eclipse/,如圖4.1所示。 圖4.1安裝ADT的過程 在Install界面選中Developer Tools并單擊Next按鈕。安裝完成后，在彈出的界面中，直接單擊Finish按鈕，重啟Eclipse，至此完成了ADT的安裝13。重啟Eclipse后，選擇Windows菜單中的Preferences命令，打開Preferences界面，在Prefer

50、ences界面中單擊Browse按鈕，添加Android SDK，如圖4.2所示 圖4.2 在Eclipse中添加Android SDK到此為止，本系統(tǒng)所用的所有開發(fā)環(huán)境已經(jīng)搭建完成。接下來開始著手本系統(tǒng)的開發(fā)工作。4.3 OBJ格式模型4.3.1 導出OBJ格式模型在第3章，我們已經(jīng)構(gòu)建好本系統(tǒng)所需的家具和場景模型，但是所有模型的文件格式均為3DS格式，但是本系統(tǒng)導入的模型格式為OBJ文件格式。OBJ文件格式由Wavafront公司為一款三維建模軟件Advanced Visualizer 所設(shè)計的一種標準三維模型數(shù)據(jù)交換格式。OBJ格式文件非常適合于三維軟件模型數(shù)據(jù)之間的互相導入導出，本設(shè)計

51、所使用的3ds Max建模工具就支持OBJ文件的讀/寫。所以需要將之前所設(shè)計好的3DS格式的文件導出為OBJ格式的文件。如圖4.3所示為OBJ格式文件導出的過程。圖4.3 OBJ格式文件導出的過程OBJ文件格式主要記錄了三維模型的幾何信息，因此并不包括材質(zhì)屬性、紋理圖片、粒子和動力學信息。OBJ支持多邊形和三角形模型,但在OpenGL ES里只支持使用三角形的讀取，圖4.3中可以看到三角形總數(shù)為25516而四邊形的總數(shù)則為0。4.3.2 OBJ文件結(jié)構(gòu)OBJ文件格式非常簡單，用純文本的形式記錄了三維模型的頂點、法向量、紋理坐標和材質(zhì)使用信息14。在OBJ文件中每行記錄信息的格式為：前綴 參數(shù)1

52、 參數(shù)2 參數(shù) 3.。前綴表示了這行所記錄的信息類型，參數(shù)是這行記錄的具體數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容參見表4.1。表4.1 OBJ文件的前綴前綴示例說明vv -9.0294 0.0000 21.9236表示當前行指定一個頂點，此前綴后跟著三個單精度浮點數(shù)，分別表示該頂點的x、y和z坐標值vtvt 1.0000 0.0000 0.0000表示當前行指定一個紋理坐標，此前綴后跟著三個單精度浮點數(shù)，分別表示該紋理坐標的u、v值(最后一個數(shù)據(jù)一般忽略不計)vnvn 0.0000 -1.0000 -0.0000表示當前行指定一個法向量，此前綴后跟著三個單精度浮點數(shù)，分別表示該法向量在x、y和z方向上的分量ff 1/

53、1/1 2/2/1 3/3/1 表示當前行指定一個平面，該平面在本系統(tǒng)中是三角形。此前綴后跟著三組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)有三個值，每個值均使用“/”分隔，這三個數(shù)值依次為頂點索引、紋理坐標索引和法向量索引usemtlusemtl wire_008110134此前綴后跟著一個參數(shù)，指定了從這一行開始到下一個以usemtl開頭的行之間的所有平面所使用的材質(zhì)名稱，根據(jù)這個名稱我們將可以在材質(zhì)庫文件中找到相應的材質(zhì)信息mtllibmtllib box.mtlmtllib前綴后跟著一個參數(shù)，該參數(shù)用于指定當前OBJ文件的材質(zhì)文件路徑在3ds Max中導出OBJ格式文件的過程中，實際上產(chǎn)生了兩個文件.obj和.

54、mtl，其中.obj文件中不包含材質(zhì)的具體信息，而材質(zhì)信息則保存在.mtl文件中，下面還是以表格的格式介紹材質(zhì)庫文件，如表4.2所示。表4.2 MTL文件的前綴前綴示例說明newmtlNewmtl 02_default定義一種新材質(zhì)，對應參數(shù)為材質(zhì)名稱KaKa 0.5228 0.5228 0.5228材質(zhì)的環(huán)境光顏色（Ambient），其后三個參數(shù)分別為顏色的R、G、B值KdKd 0.5228 0.5228 0.5228材質(zhì)的漫反射光顏色（Diffuse），其后三個參數(shù)分別為顏色的R、G、B值KsKs 0.0000 0.0000 0.0000 材質(zhì)的鏡面反射光顏色（Specular），其后三個參數(shù)分別為顏色的R、G、B值KeKe 0.0000 0.0000 0.0000 材質(zhì)的鏡面發(fā)射光顏色（Emissive），其后三個參數(shù)分別為顏色的R、G、B值NsNs 10.000