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基于OpenGL的邦寶模型積木分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘 要：由于傳統(tǒng)單憑經(jīng)驗(yàn)使用插座式積木搭建大型場(chǎng)景模型時(shí)會(huì)出現(xiàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法提前統(tǒng)計(jì)成本等難題，所以急需開發(fā)出一個(gè)積木智能搭建系統(tǒng)。邦寶模型積木分析系統(tǒng)正是應(yīng)企業(yè)需求開發(fā)，涉及到智能選擇不同形狀的積木來(lái)完成每一層的鋪設(shè)、上下層交叉鋪設(shè)、模型不同位置不同染色、減少零碎顆粒等要求，針對(duì)這種情況，提出了基于OpenGL技術(shù)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的算法。本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了3DS文件格式，系統(tǒng)用到的開發(fā)平臺(tái)及OpenGL技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總框架及功能，基于掃描法的柵格化算法、單層積木鋪設(shè)算法及上下層粘連性檢驗(yàn)算法。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了從3D模型文件導(dǎo)入、模型調(diào)整、切片分層、顆�；捷敵龇e木搭建方案的全自動(dòng)化。
關(guān)鍵詞：積木;OpenGL;3D模型
引言
隨著當(dāng)今時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，三維圖形技術(shù)在建筑虛擬、場(chǎng)景漫游、虛擬教育、3D游戲等各方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)各種3D模擬積木軟件也得到迅猛的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的軟件有Lego Digital Designer、MLCad、LDView、LPub等，雖然這些都是非常優(yōu)秀的3D模擬積木軟件，但它們并沒有一個(gè)軟件能徹底解決從三維模型導(dǎo)入、模型調(diào)整、切片分層、顆�；捷敵龇e木搭建方案的全自動(dòng)化。
OpenGL是一個(gè)功能強(qiáng)大的三維圖形開發(fā)接口，由于它方便而強(qiáng)大的三維圖形的繪制功能，并具有可靠性高、可擴(kuò)展性、可伸縮性、容易使用、靈活性和可移植性等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用OpenGL開發(fā)技術(shù)能夠極大地提高開發(fā)效率。盡管很多文獻(xiàn)[1-4]介紹了利用OpenGL技術(shù)對(duì)3DS模型數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、顯示和控制的方法，但大多數(shù)只涉及到基本的靜態(tài)3DS模型數(shù)據(jù)的使用，并沒有對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文基于OpenGL技術(shù)對(duì)邦寶模型積木分析系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，我們可以讀取出3DS模型文件并對(duì)其進(jìn)行顯示控制，然后通過(guò)切片、顆粒化等一系列操作計(jì)算出在使用邦寶基本部件搭建一個(gè)模型時(shí)所需要的部件種類、個(gè)數(shù)及每層的積木搭建排列，進(jìn)一步計(jì)算出整個(gè)模型所用積木的總重量及總價(jià)格。
一、3DS文件格式簡(jiǎn)介
3DS是Autodesk公司存儲(chǔ)3D模型數(shù)據(jù)的一種文件格式。
3DS文件結(jié)構(gòu)由許多塊組成，每個(gè)塊由信息類別和下一個(gè)塊的相對(duì)位置兩部分組成，其中塊的信息類別用ID來(lái)標(biāo)識(shí)。由于每個(gè)塊指出了下一個(gè)塊的相對(duì)于該塊起始位置的偏移字節(jié)數(shù)，這樣即使你不明白這個(gè)塊的含義，也可以很容易地忽略它。與許多文件格式一樣，3DS二進(jìn)制文件中的數(shù)據(jù)也是按低位在前、高位在后的方式組織的。例如，兩個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)0x4A5C組成的整型數(shù)，表明5C是高位字節(jié)，4A是低位字節(jié)[5]。
3DS文件中塊的前兩項(xiàng)信息分別是塊的ID和塊的長(zhǎng)度，其中塊的ID是一個(gè)整型數(shù)，而塊的長(zhǎng)度是一個(gè)塊相對(duì)于該塊的字節(jié)偏移量，是一個(gè)長(zhǎng)整型數(shù)。3DS文件中每個(gè)塊是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，不同類型的塊具有不同的層次結(jié)構(gòu)。每一個(gè)3DS文件的開頭都是由一個(gè)根塊構(gòu)成，它包含了整個(gè)文件，其ID是0x4D4D。根塊內(nèi)的塊稱為主塊，主塊有3D編輯程序塊和關(guān)鍵幀塊兩種類型。主塊后面是該主塊所包括的子塊，而3D編輯程序塊是物體的形體數(shù)據(jù)定義的開始。3D編輯程序塊的子塊包括材質(zhì)列表塊、物體塊等，而物體塊又包含了網(wǎng)格塊、亮度信息塊、相機(jī)參數(shù)塊等。其中網(wǎng)格塊包括位置信息塊、頂點(diǎn)列表塊、面信息塊等;關(guān)鍵幀塊定義關(guān)鍵幀的信息。3DS文件這種復(fù)雜的塊層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于即使我們并不知道每一個(gè)塊的具體含義，在程序中讀取3DS文件類型的模型時(shí)，完全可以忽略掉那些不感興趣或不需要的塊信息，僅讀取所需要的塊。
二、開發(fā)平臺(tái)和技術(shù)
2.1 使用C#編程語(yǔ)言
C#是一種完全建立在Microsoft.NET框架平臺(tái)上的高級(jí)編程語(yǔ)言，它幾乎集中了所有關(guān)于軟件開發(fā)和軟件工程研究的最新成果，如面向?qū)ο蟆㈩愋桶踩�。C#充分利用了.NET框架的優(yōu)點(diǎn)，是開發(fā).NET框架應(yīng)用程序最好的語(yǔ)言之一。與VC++相比，C#的程序調(diào)試更加容易，語(yǔ)法更加簡(jiǎn)潔，且可以更加快速地開發(fā)應(yīng)用程序。把C#和OpenGL結(jié)合起來(lái)開發(fā)3D圖形程序和軟件，將顯著提高開發(fā)效率[6]。
2.2 使用OpenGL技術(shù)
OpenGL的英文全稱是“Open Graphics Library”，即“開放性圖形庫(kù)”，它是計(jì)算機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3D應(yīng)用程序接口，是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層3D圖形庫(kù)。作為圖形硬件的軟件接口，OpenGL由幾百個(gè)指令或函數(shù)組成，這些指令允許用戶說(shuō)明二維幾何對(duì)象或三維幾何對(duì)象，允許用戶對(duì)對(duì)象實(shí)施操作以便把這些對(duì)象著色到幀存上。OpenGL作為一個(gè)性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面(API)，適用于廣泛的計(jì)算機(jī)環(huán)境。OpenGL是一套底層三維圖形API，之所以稱之為底層API，是因?yàn)樗鼪]有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場(chǎng)景。但通過(guò)一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便的將AutoCAD、3DS等圖形設(shè)計(jì)軟件制作的3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于OpenGL提供了清晰明了的圖形函數(shù)，所以不要求開發(fā)者把三維物體模型的數(shù)據(jù)寫成固定的數(shù)據(jù)格式，開發(fā)者不但可以直接使用自己的數(shù)據(jù)，而且可以利用其它不同格式的數(shù)據(jù)源，這種靈活性極大地節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，提高了開發(fā)效率。因此我們選擇使用OpenGL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。
2.3 在C#中使用Tao框架實(shí)現(xiàn)OpenGL建模技術(shù)
由于OpenGL的廣泛應(yīng)用，它已經(jīng)成為了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
目前雖然有很多軟件開發(fā)商提供的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都提供了對(duì)開發(fā)基于OpenGL應(yīng)用軟件的支持，如Visual C++，C++builder等。但是并沒有提供在C#中開發(fā)OpenGL的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的方法，而且，在.NET框架中也沒有提供0penGL API的接口。目前在C#中可以通過(guò)CsGL等第三方軟件進(jìn)行OpenGL建模的技術(shù)，也可以基于Tao技術(shù)，因?yàn)門ao Framework提供了許多基于.NET和Mono的庫(kù)，它是由美國(guó)華盛頓大學(xué)分布式對(duì)象計(jì)算組織開發(fā)的開放源碼的CORBA(通用對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu))產(chǎn)品，它實(shí)現(xiàn)了C0RBA2.6規(guī)范中的說(shuō)明。因此，我們利用Tao框架實(shí)現(xiàn)在C#中進(jìn)行OpenGL建模的方法[7]。
2.4 使用SharpGL擴(kuò)展庫(kù)
SharpGL是C#對(duì)OpenGL庫(kù)的封裝，是一個(gè)方便我們?cè)赪indows窗體中和WPF中使用OpenGL的擴(kuò)展庫(kù)，它能夠設(shè)置一個(gè)強(qiáng)大的場(chǎng)景圖和Visual Studio模板。SharpGL擴(kuò)展庫(kù)包裝了所有當(dāng)前的OpenGL函數(shù)，所有主要的擴(kuò)展和一套豐富的先進(jìn)功能的對(duì)象，并且能夠?qū)⒋a移植到其它的平臺(tái)中，所以我們使用它很容易開發(fā)出3D圖形程序。它的命名空間包括：
�、賁harpGL：包含OpenGL的主要對(duì)象，這個(gè)對(duì)象封裝了所有的OpenGL函數(shù)、枚舉和擴(kuò)展。
②SharpGL.SceneGraph：包含所有包裝OpenGL的對(duì)象和場(chǎng)景中的元素-燈光、材料、紋理、材質(zhì)等。
�、跾harpGL.WinForms：為我們的應(yīng)用程序包含Windows窗體控件。
�、躍harpGL.WPF：為我們的應(yīng)用程序包含WPF控件。
⑤SharpGL.Serialization：包含用于裝載幾何和來(lái)自于3D Studio Max文件的數(shù)據(jù)，不引人注意的obj文件和truespace文件的類。
三、邦寶模型積木分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)概述
積木是公認(rèn)能培養(yǎng)兒童創(chuàng)造力、學(xué)習(xí)能力以及訓(xùn)練手眼協(xié)調(diào)的最佳工具，積木中的排列，接合，環(huán)形，對(duì)稱等都對(duì)開發(fā)孩子的智力有好處。積木的生產(chǎn)是個(gè)很有發(fā)展前景的項(xiàng)目，但是由于組成實(shí)物的小積木塊，一般都由幾百、幾千甚至上萬(wàn)個(gè)小積木組成，零件的數(shù)據(jù)量龐大，目前大部分玩具廠商都是先通過(guò)先人手動(dòng)地拼成我們需要的積木實(shí)體形狀，再統(tǒng)計(jì)所需的積木小零件的種類和總個(gè)數(shù)，最后交由工廠生產(chǎn)，顯然這過(guò)程的任務(wù)很繁重，拼裝設(shè)計(jì)時(shí)稍微的改動(dòng)對(duì)整體的影響很大，效率也很低。如果積木的拼裝和統(tǒng)計(jì)能用計(jì)算機(jī)模擬，那將極大地節(jié)約人力、物力和成本。因此，我們急需開發(fā)出一個(gè)系統(tǒng)，能夠用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)從三維模型導(dǎo)入、模型調(diào)整、切片分層、顆粒化到輸出積木搭建方案的全自動(dòng)化，這樣既能節(jié)約生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，又能提供實(shí)踐指導(dǎo)。
本系統(tǒng)的目標(biāo)就是建立一個(gè)3D圖形應(yīng)用程序，用于計(jì)算在使用邦寶基本部件搭建一個(gè)模型時(shí)所需要的部件種類、個(gè)數(shù)及輸出每層的積木搭建排列方案，進(jìn)一步計(jì)算出搭建這樣的模型時(shí)的初步報(bào)價(jià)。不同形狀的積木可以由不同的顆粒狀的積木塊(積木磚)組成，積木的拼裝過(guò)程整體上可以看出是從下到上(或從上到下)。對(duì)于給定實(shí)物模型的3D外觀數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)模擬分層切割過(guò)程，計(jì)算出每層的排列情況并顯示，且滿足以下條件：
�、偎玫姆e木塊數(shù)量總數(shù)盡量少，即中心部分是骨架連接或鏤空的。
②拼成后積木盡可能的牢固。
�、燮闯珊蟊M可能的逼近原始形狀的物體。
3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框架設(shè)計(jì)
邦寶模型積木分析系統(tǒng)主要包括八大功能模塊，即數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)管理、模型副本管理、模型副本分層、分層顆�；�、積木搭建、查看三維圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出，這些模塊又是由若干個(gè)子模塊構(gòu)成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框架如下圖所示：
圖一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框架圖
3.3 系統(tǒng)的主要功能介紹
系統(tǒng)的主要功能如下：
�、贁�(shù)據(jù)導(dǎo)入
基本部件：導(dǎo)入邦寶基本部件的3DS文件。
三維模型：導(dǎo)入模型的3DS文件。
�、跀�(shù)據(jù)管理
數(shù)據(jù)修改：修改部件及模型的基本數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)。
數(shù)據(jù)計(jì)算：計(jì)算部件及模型的長(zhǎng)、寬、高等數(shù)據(jù)并保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)。
數(shù)據(jù)增刪：添加或刪除部件或模型的相關(guān)數(shù)據(jù)。
③模型副本管理
副本增刪：按某個(gè)比例放大或縮小原始模型來(lái)添加其副本或刪除模型副本及其相關(guān)數(shù)據(jù)。
副本編輯：修改模型副本的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置鏤空壁厚、分層方式等參數(shù)并保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)。
�、苣Ｐ透北痉謱�
部件選擇：可以選擇不同類型的部件，如小顆粒塊(磚)等， 按所選部件的高度將模型等距地分為若干層并進(jìn)行切片操作。
最優(yōu)分層：將各層分層后所得矢量多邊形進(jìn)行柵格化，并提供基礎(chǔ)性的鏤空及編輯功能(一般大型積木模型不會(huì)是實(shí)心的)。
�、莘謱宇w�；�
顆�；簩⒎謱拥玫降钠矫娑噙呅斡貌煌伾男》綁K最佳覆蓋，對(duì)模型的所有層進(jìn)行顆�；�
鏤空設(shè)定：用戶可以調(diào)整鏤空時(shí)的厚度參數(shù)。
⑥積木搭建
底層排列：第一層是底層，在此層的部件排列方式與其它層不同。
逐層排列：每層在它下層排列的基礎(chǔ)上進(jìn)行積木排列，準(zhǔn)許用戶調(diào)整鏤空時(shí)的厚度參數(shù)，并提供上下層粘連性檢驗(yàn)，但要保證搭建的模型牢固。
⑦查看三維圖
三維顯示及編輯：查看部件和模型的三維圖，能夠用鼠標(biāo)進(jìn)行三維圖的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等交互操作，并提供對(duì)積木模型的編輯功能，如對(duì)某塊積木的增刪、著色、移動(dòng)等。
單層顯示：查看整個(gè)模型每一層的三維圖。
雙層顯示：查看整個(gè)模型每?jī)蓪盈B加在一起的三維圖。
三層顯示：查看整個(gè)模型每三層疊加在一起的三維圖。
所有層顯示：查看整個(gè)模型所有層的三維圖。
�、鄶�(shù)據(jù)導(dǎo)出
積木統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)可以計(jì)算出模型中總共使用的部件種類及其數(shù)量，進(jìn)而計(jì)算出其總重量及總價(jià)格。
數(shù)據(jù)導(dǎo)出：系統(tǒng)可以導(dǎo)出3DS和bmp格式的文件。
3.4 系統(tǒng)的核心算法簡(jiǎn)介
3.4.1 3DS文件導(dǎo)入算法
在數(shù)據(jù)讀取之前，首先要建立存儲(chǔ)點(diǎn)、面、材質(zhì)、對(duì)象等信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以用來(lái)保存3DS模型數(shù)據(jù)。OpenGL讀取3DS的算法思路是：首先根據(jù)偏移量和長(zhǎng)度找到一個(gè)塊的ID標(biāo)識(shí)符，再根據(jù)這個(gè)來(lái)判斷它是什么塊，遇到我們需要的塊，就進(jìn)一步讀取，如果不需要，直接忽略這一塊，讀取下面的塊，最后循環(huán)遍歷所有的塊，即讀出各個(gè)數(shù)據(jù)塊[9]。
讀取出3DS文件后，需要在OpenGL環(huán)境下將讀出來(lái)并存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的3DS文件信息繪制出來(lái)。在繪制場(chǎng)景時(shí)，首先計(jì)算法向量，它直接影響到光線從不同的角度入射到模型表面，產(chǎn)生不同的顯示結(jié)果，如果法向量不確定，三維效果的圖形是顯示不出來(lái)的。再通過(guò)模型的各種變換來(lái)實(shí)現(xiàn)法向量的計(jì)算，本系統(tǒng)首先遍歷對(duì)象的面和頂點(diǎn)的所有信息，從而計(jì)算出這些信息的法向量，并將法向量添加到法向量列表中。然后根據(jù)存儲(chǔ)在自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息，這樣OpenGL就能將模型繪制出來(lái)。
3.4.2 基于掃描法的柵格化算法
整個(gè)模型的顆�；枰獙�(duì)模型副本所有分層得到的矢量多邊形進(jìn)行柵格化。目前雖然已存在多種柵格化算法[10]，如常見的有內(nèi)部點(diǎn)擴(kuò)散法、邊界代數(shù)法、邊界點(diǎn)跟蹤算法、射線法、掃描法等，但每種算法都有自己的缺陷。本系統(tǒng)采用了各方面性能比較平衡的掃描法，雖然避免了上述的內(nèi)部填充過(guò)程，但模型的顆�；K在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還遇到了一些特殊問(wèn)題。因此本系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)在掃描法的基礎(chǔ)上，添加了橫邊表并制定了更加詳細(xì)的規(guī)則，使其能正確處理各種特殊情況。
3.4.3 單層積木鋪設(shè)算法
根據(jù)現(xiàn)實(shí)中經(jīng)驗(yàn)豐富的員工搭建的每一層積木大體上是十分規(guī)律的，只是在局部上作出某些調(diào)整。因此在本系統(tǒng)提出這樣一種算法，這種算法可分三個(gè)部分，一是利用“基本件”的特點(diǎn)，選取了1×1、1×2、1×3、2×2、2×3和“L型拐”這6種積木為基本鋪設(shè)顆粒，采用貪心加局部搜索的算法鋪設(shè);二是為了減少零碎顆粒，就近調(diào)整“單粒”;三是“并小為大”，將基本鋪設(shè)顆粒拼合成大的積木。結(jié)果證明，此算法可以很好地完成積木鋪設(shè)問(wèn)題。
3.4.4 上下層粘連性檢驗(yàn)算法
一個(gè)合格的積木模型搭建方案必須確保這個(gè)積木模型不散架，在本系統(tǒng)中，通過(guò)上下層粘連性檢驗(yàn)算法來(lái)達(dá)到這一效果。這個(gè)算法可分為兩個(gè)方面，一是相鄰層采用不同的優(yōu)先順序可以巧妙地使相鄰層的積木盡量多的交叉相扣，增強(qiáng)上下層的粘連性;二是結(jié)合并查集算法，將每塊積木視為圖中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，為積木粘連問(wèn)題建立圖論模型。通過(guò)這兩個(gè)方面的相互配合，不僅在一定程度上提高了運(yùn)算速率，而且較好地保證了模型的粘連性。
四、結(jié)束語(yǔ)
邦寶模型積木分析系統(tǒng)的成功使用，能夠用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)從三維模型導(dǎo)入、模型調(diào)整、切片分層、顆�；捷敵龇e木搭建方案的全自動(dòng)化。這不僅在一定程度上節(jié)約了大型模型的搭建時(shí)間和生產(chǎn)成本，而且為員工提供了實(shí)踐指導(dǎo)，有效地提高了工作效率。本文基于OpenGL技術(shù)對(duì)邦寶模型積木分析系統(tǒng)進(jìn)行了研究，簡(jiǎn)要介紹了實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)所需的開發(fā)平臺(tái)、技術(shù)及算法。由于時(shí)間和知識(shí)水平的限制，本系統(tǒng)還存在著很多的不足之處，比如在整個(gè)積木模型的內(nèi)部鏤空、積木模型的受力分析(如積木懸空部分、倒吊部分)等方面還是比較不足的。對(duì)此，我們可以進(jìn)一步研究，將本系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)運(yùn)用到其他工程項(xiàng)目中。
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