三维人体模型的显示优化

OpenGL是行业领域中最为广泛接纳的2-D/3-D图形API，许多知名的优秀应用程序均以OpenGL为开发基础并与其有广泛的接口应用。OpenGL独立于操作系统并与硬件无关，可以在不同的操作平台间移植。在很多技术领域，尤其是3-D建模技术、虚拟现实技术、三维仿真技术等领域，OpenGL在图形图像处理、三维显示等方面显示出卓越的性能。

OpenGL是与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows、Unix、Linux、Mac OS、OS/2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS、3ds Max等3-D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组。

OpenGL可以与VC＋＋紧密接口，可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。它具有以下七大功能：

①建模

OpenGL图形库提供了点、线、多边形、复杂的曲线与曲面、复杂的三维物体（球、锥、多面体等）的绘制函数，为用户进行三维建模提供强大工具。

②变换

OpenGL提供了一系列的变换操作，包括平移、旋转、缩放、镜像四种基本变换和平行、透视两种投影变换。通过变换处理提高算法的运行效率并提高三维图形的显示速度。

③颜色模式设置

OpenGL中颜色模式有RGBA模式和颜色索引（Color Index）两种。

④光照和材质设置

OpenGL提供多种光照设置，如自发光（Emitted Light）、环境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和高光（Specula Light）等。材质设置主要通过光反射率来设置。通过将光照的RGB分量与材质RGB分量的反射率相乘后形成物体的颜色。

⑤纹理映射

OpenGL具有十分强大的纹理映射功能，通过纹理映射实现三维仿真物体的真实感显示。

⑥三维显示和图像增强

OpenGL函数库提供了基本的COPY和像素读写功能，同时还提供了诸如融合（Blending）、抗锯齿（Antialiasing）和雾（Fog）的特殊图像效果处理，用于增强图形的显示效果，使三维仿真模拟更加逼真。

⑦双缓存动画

即前台缓存和后台缓存，后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。

此外，利用OpenGL还能实现深度暗示（Depth Cue）、运动模糊（Motion Blur）等特殊效果，从而实现了消隐算法。

（1）OpenGL建模

应用OpenGL绘制、显示三维人体/服装主要包括四个基本步骤（图3-19）。

图3-19　OpenGL工作流程图

a.根据基本图形单元（点、线、多边形等）建立人体/服装模型，并对其进行数学描述。

图3-20　坐标系

b.把模型放置于一定的三维空间中，设置观察点。

c.计算人体/服装模型中所包含的颜色，根据具体应用确定光照条件、纹理映射方式等。

d.把模型的数学描述及其颜色信息转换为像素并显示出来，即光栅化。

（2）OpenGL变换

在OpenGL中，三维物体所处的空间坐标系为世界坐标系，视点和物体的位置都是通过该坐标系进行描述的（图3-20）。

通过一系列的三维变换就可以将人体/服装的三维坐标转换到屏幕对应的像素位置，OpenGL为编程人员提供了变换函数：

①基本变换

基本变换有平移、旋转、缩放、镜像四种变换，相应的变换函数为：

void glRotate｛fd｝（type angle，type x，type y，type z）；

void glTranslate｛fd｝（type x，type y，type z）；

void glScale｛fd｝（type x，type y，type z）。

②投影变换

投影变换有平行投影和透视投影两种，平行投影的变换函数为：(www.xing528.com)

Void glOrtho（GLdouble left，GLdouble right，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far）。

透视投影的变换函数有两种，分别为：

void glFrustm（GLdouble left，GLdouble right，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far）；

void glFrustm（GLdouble left，GLdouble right，GLdouble bottom，GLdouble far）。

③视口

经过基本变换和投影变换后的物体显示在屏幕指定的区域内，视口变换函数为：

Void glViewPort（Glint x，Glint y，GLsizei w，GLsizei h）。

有关流程如图3-21所示。

（3）OpenGL消隐处理

为了实现三维人体/服装显示的真实感，需要在三维人体/服装显示时消去自身遮挡或相互遮挡而无法看见的线或面，即消隐。OpenGL中消隐操作主要有两类：一类是场景中多边形后向面的处理，函数为：

图3-21　三维图形显示流程

glEnable（GL＿CULL＿FACE）；

glCullFace（mode）；

…

glDisable（GL＿CULL＿FACE）。

另一类消隐操作是通过深度缓冲方法（z-buffer）来实现的，其函数为：

Void glDepthFunc（GLenum func）。

（4）OpenGL光照设置

OpenGL中，常用光照模型来绘制可视面的亮度或颜色，通过散射光、镜面反射光、环境光、反射光四种光的组合来模拟真实世界的光照。

OpenGL中光照设置首先确定每个顶点的法向量，函数为：

void glNormal3f（GLfloat nx，GLfloat ny，GLfloat nz）。

然后创建光源模型，函数为：

void glLightfv（Glenum light，Glenum pname，TYPE＊param）。

（5）OpenGL三维显示

通过三维建模、三维变换、消隐处理、光照设置后，就可以绘制人体/服装三角形曲面片模型了，相应的绘制语句为：

glBegin（GL＿TRIANGLES）；

glNormal3d（pn1.x，pn1.y，pn1.z）；

glVertex3d（p1.x，p1.y，p1.z）；

glNormal3d（pn2.x，pn2.y，pn2.z）；

glVertex3d（p2.x，p2.y，p2.z）；

glNormal3d（pn3.x，pn3.y，pn3.z）；

glVertex3d（p3.x，p3.y，p3.z）；

glEnd。

通过以上处理，就可以得到真实感的人体模型（图3-22）。

图3-22　人体正、侧、背面模型