SharpGL三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1、https:/SharpGL 三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)摘要：目前沒有在 C#中開發(fā) OpenGL 的標(biāo)準(zhǔn)，在.NET Framework 中也沒有 OpenGL API 接口。為此，研究了在 C#中聯(lián)合 SharpGL 編寫三維建模算法，闡述了三維建模關(guān)鍵步驟，并且實(shí)例化例子。相比較 C+，在動態(tài)鏈接庫SharpGL.dll 支持下，在 C#中進(jìn)行 SharpGL 三維建模代碼可讀性強(qiáng)，開發(fā)變得更簡潔，程序可移植性佳。關(guān)鍵詞：SharpGL；C#；動態(tài)鏈接庫；三維建模中圖分類號：TP317.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16727800（2017）0040205030 引言SharpGL

2、是進(jìn)行三維顯示的函數(shù)庫，其運(yùn)行環(huán)境與平臺無關(guān)，能在Windows、Linux 及 Mac OS 等操作系統(tǒng)上運(yùn)行，故其在硬件、窗口及操作系統(tǒng)方面是相互獨(dú)立的，SharpGL 能不依賴于任何硬件或操作系統(tǒng)即可運(yùn)行。SharpGL 本身只定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此只要符合定義標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)庫，都可以稱為 SharpGL 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫。ATT、UNIX 軟件實(shí)驗(yàn)室、IBM 等著名企業(yè)都采用OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)。SharpGL 標(biāo)準(zhǔn)定義的函數(shù)庫分為 4 個(gè)部分：SharpGL 核心庫、SharpGL 實(shí)用庫、SharpGL 輔助庫、SharpGL 工具庫。SharpGL 函數(shù)庫是一個(gè)實(shí)時(shí)渲染函數(shù)庫，能夠在短時(shí)間進(jìn)行

3、實(shí)時(shí)交互繪制。DirectX 與其相似，但只能在 Windows 操作系統(tǒng)上執(zhí)行。 C#是微軟公司早在 2000 年就開始推出的一種高級編程語言，這種高級編程語言運(yùn)行在.NET CLR 環(huán)境上，并基于.NETFramework 框架創(chuàng)作。C#是從 C 與 C+語言派生出的，吸收了 C 與 C+的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了 C 與 C+的缺點(diǎn)，從而產(chǎn)生功能強(qiáng)大、類型安全、更簡單的面向?qū)ο笳Z言。C#代碼框架具有面向?qū)ο?、引用類等概念，幾乎囊括所有軟件開發(fā)與工程研究的最新成果。相比較 C 與 C+而言，C#具有語法簡單易學(xué)、配置與調(diào)制簡單、程序開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今工程開發(fā)。本文將 C#和SharpG

4、L 聯(lián)合，開發(fā)三維物體模型程序以提高效率。1SharpGL 函數(shù)庫1.1SharpGL 核心庫SharpGL 動態(tài)鏈接庫 核心庫包含約 115 個(gè)可以被調(diào)用的函數(shù)，統(tǒng)一將函數(shù)名的前綴命名為 gl。核心庫函數(shù)用于常規(guī)圖形處理，應(yīng)用范圍較廣。同一個(gè)功能函數(shù)輸入不同類型的參數(shù)，從基本的 115 個(gè)函數(shù)中派生出來的函數(shù)表達(dá)式約有 300。https:/1.2SharpGL 實(shí)用庫SharpGL 動態(tài)鏈接庫 實(shí)用庫包含約 43 個(gè)可調(diào)用函數(shù)，統(tǒng)一將函數(shù)名的前綴命名為 glu。SharpGL 提供了豐富的繪圖函數(shù)命令，但所有圖形繪制都由點(diǎn)、線、面元素組合而成。glu 函數(shù)通過調(diào)用核心庫函數(shù)，為軟件開發(fā)提供

5、了相對簡單的用法，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的操作1。1.3SharpGL 輔助庫SharpGL 動態(tài)鏈接庫 輔助庫包含約 31 個(gè)可調(diào)用函數(shù)，統(tǒng)一將函數(shù)名的前綴命名為 aux。輔助庫函數(shù)提供面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)輸入輸出處理、窗口操作以及繪制一些簡單的三維物體。1.4SharpGL 工具庫SharpGL 動態(tài)鏈接庫 工具庫包含約 30 個(gè)可調(diào)用函數(shù)，統(tǒng)一將函數(shù)名的前綴命名為 glut。glut 是不依賴于任何操作系統(tǒng)平臺的 SharpGL 函數(shù)庫，用途是隱藏不同操作系統(tǒng)接口難題。工具庫函數(shù)以 glut 開頭，提供更為復(fù)雜的繪圖功能2。由于 glut 中的面向?qū)ο蟠翱诠芾砗瘮?shù)不依賴任何運(yùn)行環(huán)境，因此SharpGL

6、 中的工具庫可以在各種操作系統(tǒng)中執(zhí)行命令3。2SharpGL 建模環(huán)境創(chuàng)建2.1 添加 SharpGL 引用在 Visual Studio 2012 中建立 C#應(yīng)用程序過程很簡單：在 Visual Studio2012 編譯器環(huán)境中選擇新建項(xiàng)目 Visual C#-Windows 窗體應(yīng)用程序，輸入項(xiàng)目名稱與解決方案名稱，然后保存在適當(dāng)路徑位置，點(diǎn)擊確定，就成功創(chuàng)建了 WindowsForms 應(yīng)用程序。此時(shí) Visual Studio 2012 會根據(jù)上一步的輸入，自動創(chuàng)建一個(gè)程序命名空間、一個(gè)窗體組建 （Form1）以及程序的主入口函數(shù)Main（string args）。 到此，Visu

7、al Studio 2012 只是創(chuàng)建了應(yīng)用程序主體，即編譯環(huán)境，使用 SharpGL 還必須添加 SharpGL 的動態(tài)鏈接庫引用。在 C#中，引用是通過 using 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的，在編寫代碼窗口上部輸入代碼： usingSharpGL； 至此，SharpGL 的動態(tài)鏈接庫引用工作完成，下一步工作就可使用SharpGL 函數(shù)繪制三維物體模型了。2.2 創(chuàng)建 SharpGL 設(shè)備環(huán)境使用 SharpGL 相關(guān)代碼開發(fā)三維物體模型時(shí)，必須先建立繪制設(shè)備環(huán)境。先拖拉一個(gè)可視化組件，用于顯示三維模型繪制。在 Visual Studio 2012 項(xiàng)目名稱中添加一個(gè)組件，命名為 SharpGLCont

8、rol，然后為創(chuàng)建的組件類進(jìn)行對象實(shí)例化，編寫如下代碼：/ Get the SharpGL object. SharpGL gl = SharpGLControl.SharpGL；為了在 SharpGLControl 對象組件上繪制三維物體模型，必須先進(jìn)行初始化https:/設(shè)置，這一點(diǎn)與其它程序語言不同。SharpGLControl 加載如下：/Clearthecoloranddepthbuffer.gl.Clear（SharpGL.GL_COLOR_BUFFER_BIT|SharpGL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT ） ；/Loadtheidentitymatrix.gl.Loa

9、dIdentity（）；2.3 建立 SharpGL 繪制環(huán)境 由于 SharpGL 直接使用繪制環(huán)境，與設(shè)備環(huán)境沒有關(guān)聯(lián)。因此，還需要建立一個(gè) SharpGL 繪制環(huán)境，否則 SharpGL 函數(shù)不能調(diào)用。在 SharpGLControl_SharpGLDraw 中定義了繪制環(huán)境相關(guān)函數(shù)，無需重寫這個(gè)函數(shù)就能直接調(diào)用。由于 SharpGLControl_SharpGLDraw 是由SharpGL 類派生出來的，因而它具有 Control 類的全部屬性和功能。 SharpGL具有多種函數(shù)，繪制環(huán)境如下：/ Get the SharpGL object. SharpGL gl = SharpGL

10、Control.SharpGL ；/Set the projection matrix. gl.MatrixMode（SharpGL.GL_PROJECTION）；/Load the identity. gl.LoadIdentity（）； /Create a perspective transformation.gl.Perspective （ 60.0f ， （ double ） Width / （ double ） Height ， 0.01 ，100.0）； /Use the look at helper function to position and aim the camera.

11、gl.LookAt（-5，5，-5，0，0，0，0，1，0）； /Set the modelview matrix.gl.MatrixMode（SharpGL.GL_MODELVIEW）；通過以上步驟操作，SharpGL 繪制環(huán)境創(chuàng)建工作就全部完成，在這個(gè)程序代碼環(huán)境中即可進(jìn)行三維建模。SharpGL 中創(chuàng)建的所有三維物體模型，如三維建筑物、家具、山峰等，都是用頂點(diǎn)描述的，因此三維物體模型繪制操作都可針對每個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，然后通過內(nèi)核矩陣函數(shù)進(jìn)行光柵化形成二維像素。SharpGL 的另一個(gè)核心模塊是矩陣算法變換，就是把三維物體模型轉(zhuǎn)換為二維圖像。3 三維建模算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在圖

12、像、VR、游戲系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等領(lǐng)域構(gòu)造和使用的模型越來越復(fù)雜、越來越精細(xì)。這些復(fù)雜的物體模型，不但對計(jì)算機(jī)的處理速度以及存儲容量提出了更高要求，而且成為實(shí)時(shí)繪制物體模型、通信傳輸?shù)钠款i，因此物體模型簡化研究成為非常重要的科研課題。物體模型簡化指在保持原有模型基本不畸變的條件下，采用適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)算法減少該物體模型的三角面數(shù)、邊數(shù)、頂點(diǎn)數(shù)3。 三維物體模型因其表面凹凸不平，呈現(xiàn)一種連續(xù)變化的曲面，這種曲面無法用平面地 D 確切表示。單元三角形是三維物體模型的基本組建單元圖，為真實(shí)表現(xiàn)三維物體模型，每個(gè)單元三角形需要包括 3個(gè)頂點(diǎn)和單元三角形的法向量，以此確定一個(gè)最小單位表面，不管多么復(fù)雜的三維物體模

13、型都可以化解成多個(gè)單元三角形組合。對于同一物體，三維物體模型上的單元三角形并非獨(dú)立存在，而是所有單元三角形都是相互關(guān)聯(lián)的，這些關(guān)聯(lián)信息主要體現(xiàn)在以下兩方面：鄰接關(guān)系即共邊與共頂點(diǎn)；同一個(gè)單元三角形，法向量相等、法向量共面。通過上述單元三角形之間的聯(lián)系進(jìn)行分https:/類，即可組成不同的三維曲面模型。 三維物體模型三角網(wǎng)算法可通過兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：在三維物體模型包含的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)中搜索符合單元三角形條件的點(diǎn)，建立單元三角形；判斷搜索到的單元三角形是否有共邊關(guān)系，如果滿足條件，就將單元三角形添加到三維物體模型的表面，如果沒有則進(jìn)行其它搜索。 SharpGL 算法類定義如下：public class

14、Vertex public class Triangle . public class Mesh public voidCompute（List set）三維物體模型的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，必須去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離群孤立點(diǎn)，編寫相關(guān)算法，設(shè)定除噪閾值。閾值參數(shù)為噪聲點(diǎn)閾值，小于這個(gè)值的點(diǎn)會刪除，否則就參與計(jì)算。 其它相關(guān)定義如下： 定義 1：三維物體模型中任意兩個(gè)單元三角形共邊，則稱這兩個(gè)單元三角形相鄰； 定義 2：三維物體模型中任意兩個(gè)單元三角形共頂點(diǎn)，則稱這兩個(gè)單元三角形相接； 定義 3：如果存在一組單元三角形具有相接關(guān)系，且兩個(gè)單元三角形法向量相等，則這一組單元三角形在同一平面上； 定義 4：如果存在一

15、組單元三角形具有相接關(guān)系，且兩個(gè)單元三角形的法向量處于某個(gè)平面上，則這組單元三角形在同一個(gè)柱面上。4 建模關(guān)鍵環(huán)節(jié)4.1SharpGL 渲染流程在使用 SharpGL 繪制過程中，需要完成的加載任務(wù)有：設(shè)置各種緩存，如顏色、深度等，加載場景物體表面貼膜紋理，設(shè)置光照與陰影模式，建立景物顯示列表、圖像質(zhì)量和材料性質(zhì)等4。SharpGL 渲染步驟如下： 輸入三維物體模型要渲染的點(diǎn)的云數(shù)據(jù)等相關(guān)信息；設(shè)置攝像頭的位置和視角，調(diào)整視覺角度，把三維物體模型安置到三維場景合適的位置；設(shè)置投影光照位置、方向、顏色、類型等屬性； 設(shè)置三維物體模型顏色、紋理貼圖等材質(zhì)參數(shù)；將上述三維信息轉(zhuǎn)化為二維圖像。 SharpGL 另一個(gè)重要模塊是三維矩陣模塊，據(jù)此進(jìn)行三維物體模型的移動、旋轉(zhuǎn)和縮放。4.2 紋理映射對三維物體模型進(jìn)行渲染，為了得到現(xiàn)實(shí)感效果，常用技術(shù)是模型表面貼圖。通過紋理貼圖，可使三維物體模型顏色不再是單一色彩，而是具有各種風(fēng)格。 三維物體模型貼圖原理：給每個(gè)三維物體模型頂點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)二維圖形坐標(biāo)，這樣在顯示三維物體模型頂點(diǎn)時(shí)可采用二維圖像上相應(yīng)像素的顏色值。三維物體模型位于三維空間，每個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)是（x，y，z）三個(gè)分量，而二維圖像位于二維空間，每個(gè)坐標(biāo)是（u，v