openGL+數(shù)值模擬實(shí)時三維可視化的C#

1、訪問100次作者：朱泰山，王一一，馮國泰1. 引言當(dāng)代CFD/NHT等大型數(shù)值模擬軟件的開發(fā)工作在全球范圍內(nèi)進(jìn)行得如火如荼，但主要的成果集中在國外大型相關(guān)專業(yè)軟件開發(fā)商，如ANSYS公司的FLUENT和CFX等。國內(nèi)，尤其是高校內(nèi)同類軟件的開發(fā)應(yīng)該在計(jì)算性能和個性化上尋求創(chuàng)新和突破，如果一味地依賴商用軟件，我國與國外先進(jìn)水平的差距將會越拉越大。哈爾濱工業(yè)大學(xué)推進(jìn)理論與技術(shù)研究所開發(fā)的HITurbine主要是針對航空以及地面燃?xì)鉁u輪內(nèi)部流場的數(shù)值模擬而設(shè)計(jì)開發(fā)的，圖1為HITurbine的主界面。圖1HITurbine主界面由于現(xiàn)有大多已有成熟的數(shù)值程序是由Fortran編寫的，所以HITurb

2、ine考慮并采用了如圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：C#MainProgram&InterfaceFortranOpenGLReal-time3DResultVisualizationComputationProgram（DLL）OtherAPIHPCetc圖2HITurbine系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2. 實(shí)時三維可視化實(shí)現(xiàn)目前，微軟公司已推出的DirectX9.0c中已經(jīng)包含了一個ManagedDirectX程序集，這個程序集為.NET框架下的托管代碼提供了訪問Direct3D的接口，這使得C#能夠方便地編寫Direct3D代碼。OpenGL目前的進(jìn)展有些落后，雖然運(yùn)用C/C+、VB以及Fortran等開發(fā)OpenG

3、L程序的技術(shù)已經(jīng)相對成熟(參見文獻(xiàn)23)，然而.NET仍沒有提供OpenGLAPI的接口，所以也不存在C#開發(fā)OpenGL的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這對于擅長界面編寫的C#來說，亦可稱為一種挑戰(zhàn)。Direct3D的參考書籍和網(wǎng)絡(luò)資源相當(dāng)豐富，其中在.NET環(huán)境下的開發(fā)框架在文獻(xiàn)14中有詳細(xì)的敘述，而OpenGL的資源則相對少得很多。實(shí)質(zhì)上OpenGL具有平臺無關(guān)性，利用C#與其實(shí)現(xiàn)實(shí)時的三維可視化與其它語言沒有實(shí)質(zhì)性的差異，關(guān)鍵是要在開發(fā)環(huán)境下做好相應(yīng)的配置，下文將對.NET下三種OpenGL具體配置方式加以討論。2.1 C#直接調(diào)用OpenGL用C#和OpenGL實(shí)現(xiàn)計(jì)算實(shí)時可視化，最直接的方式就是利用

4、C#調(diào)用OpenGL所提供的開發(fā)庫。但是如前所述，OpenGL所提供的函數(shù)均為C接口的API形式，用C#實(shí)現(xiàn)要進(jìn)行類似混合語言編程過程的DLL調(diào)用，即調(diào)用OPENGL32.DLL、GLU32.DLL以及GLUT32.DLL等。另外，為了體現(xiàn)OOP思想，可新建一個OpenGL調(diào)用類，如下clsGL類和clsGLU類分別調(diào)用OpenGL和GLU：usingSystem.Runtime.InteropServices;publicclassclsGL/OpenGL常量聲明publicconstuintGL_COLOR_BUFFER_BIT=0x00004000;publicconstuintGL_M

5、ODELVIEW=0x1700;publicconstuintGL_PROJECTION=0x1701;JJJJ/函數(shù)入口聲明DllImport(opengl32.dll)publicstaticexternvoidglClear(uintmask);DllImport(opengl32.dll)publicstaticexternvoidglBegin(uintmode);JJJJpublicclassclsGLU/OpenGL常量與函數(shù)入口聲明JJJJ然而OpenGL提供約有250個左右不同的函數(shù)，還不包括GLUT等常用的工具庫和大量如上所述的OpenGL常量，所以若要在C#中進(jìn)行DLL調(diào)

6、用，可想而知其工作量將是非常大的。所以這種方式雖然直接，但相對以下所述的兩種方式較為繁瑣，所以在實(shí)際運(yùn)用中少見。2.2 利用CSOpenGL實(shí)現(xiàn)若利用CSOpenGL實(shí)現(xiàn)，則需先將CSOpenGL.dll、CSOpenGLC.dll、mfc70.dll和msvcr70.dll四個文件拷貝到可執(zhí)行文件目錄，當(dāng)然也可以放到系統(tǒng)文件夾system32下公用。然后進(jìn)行引用“usingCSOpenGL；”即可在.NET環(huán)境下進(jìn)行OpenGL代碼編寫了。將繪圖的功能模塊單獨(dú)寫為一個單獨(dú)的繼承自GLViewPainter類的繪圖類，如zPainter，該類中的工作僅僅是對Paint()方法的重構(gòu)和具體繪圖方

7、法的建模。代碼框架如下：publicclasszPainter:GLViewPainterpubliczPainter()publicoverridevoidPaint(GLViewview),/*OpenGL初始化,如glViewport(0,0,view.Width,view.Height);glMatrixMode(GL_PROJECTION);等*/drawYourImg();/DrawImagesglFlush();publicvoiddrawYourImg(),/*OpenGL初始化，如glEnable(GL_BLEND);等*/,/DrawYourImagesHere通過參數(shù)傳遞

8、和drawYourImg()建模，即可實(shí)現(xiàn)繪圖類的繪圖功能。在圖1的主界面中，右側(cè)黑色部分為一個pictureBox控件，此即為圖形繪制表面，可以通過如下代碼進(jìn)行指定：zPainternZp=newzPainter();GLViewView=newGLView();View.Parent=this.pictureBox1;View.CreateControl();View.Dock=DockStyle.Fill;View._OnPaint=newzPainter();以上代碼實(shí)現(xiàn)了利用CSOpenGL接口進(jìn)行C#的三維可視化編程，OpenGL初始化及如紋理及場景繪制等具體繪圖方法可以參考56等

9、。2.3 利用CsGL實(shí)現(xiàn)CsGL的應(yīng)用方法在文獻(xiàn)5中有過敘述。本文將在利用CsGL方面做一些補(bǔ)充，以使得更好地運(yùn)用其開發(fā)程序界面。利用CsGL時csgl.dll與csgl.native.dll是必須的。將其拷貝到可執(zhí)行文件運(yùn)行目錄或系統(tǒng)目system32下后，新建一個繼承于OpenGLControl的新類，并加以引用“usingCsGL.OpenGL;”，然后至少作如下三個重構(gòu)：classcsglP:OpenGLControlpublicoverridevoidglDraw()base.glDraw();,/*OpenGL初始化，如glEnable(GL_BLEND);等*/GL.glBeg

10、in(GLenummode);,/DrawYourImagesHereGL.glEnd();protectedoverridevoidInitGLContext()base.InitGLContext();,/*繪制環(huán)境初始化，如GL.glShadeModel(GL.GL_SMOOTH);等*/protectedoverridevoidOnSizeChanged(EventArgse)base.OnSizeChanged(e);,/*窗口大小變化時調(diào)用，如GL.glViewport(0,0,this.Width,this.Height);等*/為了實(shí)現(xiàn)在指定繪制平面內(nèi)繪圖，可以類似CSOpen

11、GL加入以下代碼：csglPzView=newcsglP();Controls.Add(zView);zView.Parent=this.pictureBox1;zView.Dock=DockStyle.Fill;這樣就實(shí)現(xiàn)了在.NET環(huán)境下的CsGL配置，進(jìn)而可以在.NET下編寫OpenGL的C#代碼。與CSOpenGL相比，CsGL的運(yùn)用方法更接近OpenGL的C接口方式，但大體上十分相似，只是由于封裝得不同，所以對用戶來說只是需重構(gòu)的方法不一樣而已，關(guān)鍵的核心繪圖代碼則是一致的，并且與其它語言也很相似，畢竟OpenGL是平臺無關(guān)的。用戶可以自己通過ObjectBrowser查看和比較這兩

12、個接口。3. 具體實(shí)例為了更加清晰地說明，下面以一個實(shí)例的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行較為具體地解釋。3.1繪制橢球體在OpenGL中繪制三維圖形，橢球體的繪制相對來說較為簡單。本例將以CSOpenGL實(shí)現(xiàn)過程為例詳細(xì)說明其具體繪制過程。做好2.2中所述的配置后，然后再將drawYourImg()方法改寫如下：publicvoiddrawYourImg()floatambient=1.0f,1.0f,0.0f,1.0f;floatdiffuse=1.0f,1.0f,1.0f,1.0f;floatspecular=1.0f,1.0f,1.0f,1.0f;3所示的橢球體：floatposition=1.0f,1.

13、0f,1.0f,0.0f;glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,ambient);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,diffuse);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,specular);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,position);glEnable(GL_LIGHT0);glEnable(GL_LIGHTING);gluLookAt(6.0,6.0,6.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0);IntPtrhdc=gluNewQuadric();gluSpher

14、e(hdc,2.0,38,38);gluDeleteQuadric(hdc)；接下來如2.2中進(jìn)行繪制表面制定后，即可在主程序中調(diào)用該方法，繪制出如圖圖3利用CSOpenGL實(shí)現(xiàn)橢球體繪制3.2其它實(shí)際上，利用上述各種方式實(shí)現(xiàn)都是大同小異的，不同點(diǎn)僅僅在環(huán)境的配置上。3.1是一個最簡單的例子，如果建立更加復(fù)雜的幾何模型（即drawYourlmg方法），再通過更多的OpenGL參數(shù)控制，可以繪制更加復(fù)雜的三維圖形，如圖4和圖5為某型航空渦輪葉片，圖中表面曲線為插值結(jié)果。本文目的在于C#實(shí)現(xiàn)框架的建立，OpenGL具體繪制不是本文的重點(diǎn)，在此不加贅述。其中，圖3為線框模型渲染的效果，圖4添加了光照

15、效果并以平滑著色。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要還可以應(yīng)用OpenGL提供的陰影和紋理等效果，渲染出更加令人滿意的場景。圖4某型航空渦輪葉片線框模型渲染效果圖圖5使用光照并以平滑著色的渲染效果通過上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，利用C#編寫OpenGL代碼更具吸引力，原因在于其更加簡單直觀，而且省去了C/C+下的很多如前后臺緩存交換問題等等的一系列工作。本文說明了常用的三種實(shí)現(xiàn)模式，具體OpenGL的編程技術(shù)在文中沒有展開，具體可參見6等講述OpenGL的書籍。利用C#和OpenGL實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果實(shí)時三維可視化的關(guān)鍵在于OpenGL繪圖方法的建模，本文進(jìn)行的工作是框架的搭建。具體在應(yīng)用CSOpenGL或CsGL兩個接口進(jìn)行三維建模時，只要做好上述的環(huán)境配置，就可以在.NET環(huán)境下應(yīng)用C#編寫OpenGL代碼來實(shí)現(xiàn)實(shí)時三維可視化了，接下來的工作就是通過參數(shù)傳遞，運(yùn)用計(jì)算所得數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時三維可視化。同時可見，一般的數(shù)值模擬軟件均可以利用此框架進(jìn)行快速開發(fā)，已使其具有計(jì)算結(jié)果實(shí)時可視化功能。用戶還可以根據(jù)需要擴(kuò)展和發(fā)展這個框架，例如建立多個監(jiān)視窗口等，這在.NET下利用C#是很容易實(shí)現(xiàn)的。參考文獻(xiàn):1 劉維華，張尤賽，王敏.NET框架下Direct3D程序的快速開發(fā)J.電腦