虚拟现实技术基础与应用代码-8 综合实例

8.3.2 场景模型的构建

建立了消防车的3ds模型后，我们就可以来定义一个消防车类了。消防车类中包含车身、云梯、吊篮成员对象，这些对象通过前节介绍的3ds载入类C3DSLoader来定义。此外我们在吊篮上安置一个消防水枪来模拟喷水效果，为此用前章定义好的粒子系统类CparticleSys来定义一个水枪效果对象。为实现云梯的交互运动，增加了云梯水平旋转的变量theta，和俯仰运动的变量phi。车身的运动由变量Position来控制。其消防车类的定义如下：

//注：以下代码写在文件Motor.h中

#include "gl/glut.h"

#include "3DSLoader.h"

#include "Particle.h"

class CMotor //消防车类

{

public:

float Position[3]; //车位置

float theta; //云梯支架旋转角

float phi; //云梯俯仰角

//定义3ds载入对象

C3DSLoader m_3DSMotor; //车身

C3DSLoader m_3DSSupport; //云梯支架

C3DSLoader m_3DSLadder; //云梯

C3DSLoader m_3DSBasket; //篮子

CParticleSys m_WaterGun; //水枪效果

CMotor(); //构造函数

virtual ~CMotor(); //析构函数

void DrawMotor(); //绘制车

void Init(); //初始化

};

车身模型，云梯模型和吊篮模型的载入以及水枪的初始化通过成员函数Init来完成，其实现形式如下：

//注：以下代码写在文件Motor.cpp中

void CMotor::Init()

{

m_3DSMotor.Load3DSModel("3DSModel\\武警学院车身1.3DS");

m_3DSSupport.Load3DSModel("3DSModel\\云梯支架.3ds");

m_3DSLadder.Load3DSModel("3DSModel\\云梯.3ds");

m_3DSBasket.Load3DSModel("3DSModel\\吊篮.3ds");

m_WaterGun.SetPosition(0,0,0); //水枪位置

m_WaterGun.SetMode(0.5,100, 10,-0.8,1); //粒子系统模式设置

m_WaterGun.Init(PI/2,PI/3);//水枪方向

}

消防车的绘制过程在成员函数DrawMotor中来完成，其实现形式如下：

//注：以下代码写在文件Motor.cpp中

void CMotor::DrawMotor()

{

glPushMatrix();

//车身

glColor3f(1.0,1.0,1.0);

glRotatef(90,0.0,1.0,0.0); //车的面向

glScalef(1.0, 1.0, 1.0);

m_3DSMotor.Draw();

//旋转支架

glScalef(1.0, 1.0, 1.0);

glTranslatef(0.0f,73.0f,-130.0f);

glRotatef(theta,0.0,1.0,0.0); //支架旋转

m_3DSSupport.Draw();

//云梯

glScalef(1.0, 1.0, 1.0);

glTranslatef(0.0f,27.0f,0.0f);

glRotatef(phi,1.0,0.0,0.0); //云梯俯仰

m_3DSLadder.Draw();

//篮

glTranslatef(0.0f,-10.0f,280.0f);

glRotatef(-phi,1.0,0.0,0.0); //篮保持水平

m_3DSBasket.Draw();

//水枪

glTranslatef(0.0f,50.0f,0.0f);

glScalef(5.0, 5.0, 5.0);

m_WaterGun.DrawSys();

glPopMatrix();

定义一个地面类Cground，其类的定义形式如下：

//注：以下代码写在文件Ground.h中

#include "CBMPTexture.h"

class CGround

{

public:

CBMPTexture textObj; //地面纹理

float length; //长度

float width; //宽度

float height; //高度

CGround(){}; //构造函数

CGround(char file[][255]); //构造函数

virtual ~CGround(){}; //析构函数

void Render(); //绘制

void Init(); //初始化

};

类Cground中通过构造函数来载入位图文件，并对成员对象textObj及其他数据进行

初始化，其实现代码为：

//注：以下代码写在文件Ground.cpp中

CGround::CGround(char file[][255]):textObj(1,file)

{

length=450.0f; //纵深

width=450.0f; //宽

height=5.0f; //高

}

地面的纹理过程通过调用成员函数Init来实现，其实现代码为：

//注：以下代码写在文件Ground.cpp中

void CGround::Init()

{

textObj.TextureInit();//地面纹理

}

由此获得的纹理名称存放在对象textObj的数据成员texture[0]中。

定义好纹理后，就可以来绘制地面了。地面的绘制通过调用成员函数Render来实现，其实现代码为：

//注：以下代码写在文件Ground.cpp 中

void CGround::Render()

{

//获得场景中光照状态

GLboolean lp;

glGetBooleanv(GL_LIGHTING,&lp);

glDisable(GL_LIGHTING); //关闭光照

// 开始绘制

glEnable(GL_TEXTURE_2D);

//绘制地面

glPushMatrix();

glTranslatef(0,0,-10);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textObj.texture[0]);

glBegin(GL_QUADS);

//指定纹理坐标和顶点坐标

glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f( width, height, length);

glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( width, height, -length);

glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f( -width, height, -length);

glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f( -width, height, length);glEnd();

glPopMatrix(); //绘制结束

if(lp) // 恢复光照状态

glEnable(GL_LIGHTING);

}

1.场景类的描述

以下我们来定义一个场景类，场景类是一个组合类，其数据成员包括：一个地面对象，一个消防车对象，一个油罐对象以及火焰对象，此外还包含相应的初始化函数和图形绘制函数，场景类的描述如下：

//注：以下代码写在文件Scene.h中

#include "Motor.h"

#include "Ground.h"

class CScene

{

public:

float PI; //圆周率

float rad; //角度（弧度）

float angle; //角度

float Look[3]; //观察目标点

float Eye[3]; //眼睛位置

CGround ground; //大地

CMotor motor; //消防车

CParticleSys m_Fire; //火焰

C3DSLoader build1; //建筑物（油罐）

CScene(){}; //构造函数

CScene(char file1[][255]); //构造函数

virtual ~CScene(); //析构函数

void Init(); //初始化

void DrawScene(); //绘制

};

带参数的构造函数主要对类Cscene对象的属性进行初始化，其实现形式如下：//注：以下代码写在文件Scene.cpp中

CScene::CScene(char file1[][255]):ground(file1)

{

angle=-90.0;

PI=3.14159;

rad=float(PI*angle/180.0);

Eye[0]=0.0;//眼睛前方65个单位的位置

Eye[1]=30.0;

Eye[2]=300.0;

Look[0]=0.0;//观察目标点的位置

Look[1]=30.0;

Look[2]=0.0;

motor.Position[0]=Eye[0]; //消防车的位置

motor.Position[1]=0;

motor.Position[2]=Eye[2];

}

而成员函数Init主要对类Cscene中内嵌对象ground，motor，m_Fire和build1的纹理映射进行初始化，其实现形式取下：

//注：以下代码写在文件Scene.cpp中

void CScene::Init()

{

motor.Init();

ground.Init();

build1.Load3DSModel("3DSModel\\卧式油罐.3DS");

//火焰设置

m_Fire.SetPosition(200.0,63.0,0.0);

m_Fire.SetMode(20,50,10,0.0,0);

m_Fire.Init(PI/2,0);

}

成员函数DrawScene主要完成类Cscene中各个内嵌对象的绘制工作，实现形式为：//注：以下代码写在文件Scene.cpp中

void CScene::DrawScene()

{

//消防车随控制键运动，位置更新

motor.Position[0]=Eye[0];

motor.Position[1]=10;

motor.Position[2]=Eye[2];

//地面

glPushMatrix();

glColor3f(1.0,1.0,1.0); //改变颜色

ground.Render();

glPopMatrix();

//火焰

glPushMatrix();

glColor3f(1.0,1.0,1.0); //改变颜色

m_Fire.DrawSys();

glPopMatrix();

//建筑物

glPushMatrix();

glColor3f(1.0,1.0,1.0);

glTranslatef(200.0,30.0,0.0);

glScalef(1.0,1.0,1.0);

build1.Draw(); //绘制建筑物

glPopMatrix();

//消防车(整体)

glPushMatrix();

//设消防车位置

glTranslatef(motor.Position[0],motor.Position[1],motor.Position[2]);

glRotatef(-angle,0.0,1.0,0.0);

glScalef(0.2,0.2,0.2);

motor.DrawMotor();//绘制消防车

glPopMatrix();

}

8.3.3初始化场景

在三维场景的初始化中，主要涉及相关库文件的包含，窗口的大小，场景的大小，场

景对象的定义，以及光照效果设置等，其代码如下：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

#include

#include

#include "Scene.h"

GLint screenWidth=800; //窗口宽

GLint screenHeight=600; //窗口高

GLint sceneWidth=450; //场景横宽

GLint sceneLength=450; //场景纵深

GLfloat m_width; //记录窗口大小

GLfloat m_height;

//场景所需位图文件路径

char g_filepath[1][255]={"data/detail.BMP"}; //地面纹理图片

//场景对象定义

CScene scene(g_filepath);

const float PI=3.1415926;

场景光照效果设置在函数Light完成，实现形式为：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

void Light(void)

{

GLfloat ambientLight[]={0.3f,0.3f,0.3f,1.0f};

GLfloat diffuseLight[]={1.0f,1.0f,1.0f,1.0f};

GLfloat specular[]={1.0f,1.0f,1.0f,1.0f};

GLfloat lightPos[]={1.0f,1.0f,1.0f,0.0f};

//创建光源

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_AMBIENT,ambientLight); //设置光为环境光。

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_DIFFUSE,diffuseLight); //设置漫射光

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_POSITION,lightPos); //设置光源位置

//选择光照模型

GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.4, 0.4, 0.4, 1.0 };

GLfloat local_view[] = { 0.0 };

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, local_view);

glEnable(GL_LIGHTING);

glEnable(GL_LIGHT1);

glEnable(GL_COLOR_MA TERIAL);//激活光照的情况下用glColor函数给物体上色

}

以上光照设置函数和场景对象scene的初始化通过以下函数来调用：

void Init()

{

glClearColor(0.2, 0.2, 0.2, 1.0); //背景颜色

glShadeModel(GL_SMOOTH);

glEnable(GL_DEPTH_TEST); //启动深度测试

glDepthFunc(GL_LESS); //启动裁剪

Light(); //场景灯光

scene.Init(); //场景初始化

}

8.3.4键盘交互实现

程序中UP、DOWN、LEFT和RIGHT键的回调函数实现形式如下：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

void Control(GLint specialKey,GLint xMouse,GLint yMouse)

{

switch(specialKey){

case GLUT_KEY_LEFT://left

scene.rad=float(scene.PI*scene.angle/180.0);

scene.angle-=1;

scene.Look[0]=float(scene.Eye[0]+1000*cos(scene.rad));

//实现转向

scene.Look[2]=float(scene.Eye[2]+1000*sin(scene.rad));

break;

case GLUT_KEY_RIGHT://right

scene.rad=float(scene.PI*scene.angle/180.0);

scene.angle+=1;

scene.Look[0]=float(scene.Eye[0]+1000*cos(scene.rad));

scene.Look[2]=float(scene.Eye[2]+1000*sin(scene.rad));

break;

case GLUT_KEY_DOWN://down

scene.rad=float(scene.PI*scene.angle/180.0);

scene.Eye[2]-=(float)sin(scene.rad)*1.0;//实现向后运动

scene.Eye[0]-=(float)cos(scene.rad)*1.0;

if( scene.Eye[0]>sceneWidth || scene.Eye[0]<-sceneWidth || scene.Eye[2]>sceneLength || scene.Eye[2]<-sceneLength)

{

scene.Eye[2]+=(float)sin(scene.rad)*1.0;//一旦进入障碍//区域取消这次运动，等于不能进入障碍区域

scene.Eye[0]+=(float)cos(scene.rad)*1.0;

}

scene.Look[0]=float(scene.Eye[0]+1000*cos(scene.rad));

scene.Look[2]=float(scene.Eye[2]+1000*sin(scene.rad));

break;

case GLUT_KEY_UP://up

scene.rad=float(scene.PI*scene.angle/180.0);

scene.Eye[2]+=(float)sin(scene.rad)*1.0;//实现向前运动

scene.Eye[0]+=(float)cos(scene.rad)*1.0;

if( scene.Eye[0]>sceneWidth || scene.Eye[0]<-sceneWidth || scene.Eye[2]>sceneLength||scene.Eye[2]<-sceneLength)

{

scene.Eye[2]-=(float)sin(scene.rad)*1.0; //一旦进入障//碍区域取消这次运动，等于不能进入障碍区域

scene.Eye[0]-=(float)cos(scene.rad)*1.0;

}

scene.Look[0]=float(scene.Eye[0]+1000*cos(scene.rad));

scene.Look[2]=float(scene.Eye[2]+1000*sin(scene.rad));

break;

default:

break;

}

}

其他数字键和符号键的回调函数为：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

void keyboard(unsigned char key,int x,int y)

{

switch(key){

case 'f': //着火

scene.m_Fire.fire=!scene.m_Fire.fire;

break;

case 'g': //水枪发射

scene.motor.m_WaterGun.fire=!scene.motor.m_WaterGun.fire;

break;

//云梯运动控制

case '4': // <键

scene.motor.theta+=5; //云梯支架向左旋转

break;

case '6': // >键

scene.motor.theta-=5; //云梯支架向右旋转

break;

case '8':

scene.motor.phi+=5; //云梯支架俯仰旋转

if(scene.motor.phi>0)

scene.motor.phi=0;

break;

case '2':

scene.motor.phi-=5;

if(scene.motor.phi<-90)

scene.motor.phi=-90;

break;

case 'a':

glutFullScreen(); //全屏现实

break;

case 'r':

glutPositionWindow(100,100);

glutReshapeWindow(screenWidth,screenHeight);

break;

case 27: //按ESC键

exit(0); // 退出系统

break;

default:

break;

}

}

上面函数中除实现交互功能外，还增加了按键a,r和ESC的响应过程，按a和r键分别实现全屏显示和恢复窗口大小，按ESC键来退出系统。

8.3.5多视口的实现

场景中通过设置两个摄像机（即设置两个gluLookAt函数）来实现窗口多视口效果，其中一个主视口的大小与窗口大小一致，而子视口位于主窗口左下角，大小是主视口的四分之一，并都采用透视投影方式，其代码实现如下：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

void RenderScene(void)

{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glLoadIdentity();

for(int i=0;i<2;i++)

{

if (i==1) //子视口

{

glEnable(GL_SCISSOR_TEST);

glScissor(0,0,m_width/4-1,m_height/4-1);

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glDisable(GL_SCISSOR_TEST);

glViewport(0,0,m_width/4-1,m_height/4-1);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(45.0f,(GLfloat)m_width/(GLfloat)m_height,1.0f,1000.0f);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

gluLookAt(0,scene.Eye[1],0,//摄像机固定在场景中央，会跟踪消防车

scene.Eye[0],scene.Eye[1] ,scene.Eye[2],

0.0,1.0,0.0);

scene.DrawScene();

}

else //主视口

{

glViewport(0,0,(GLsizei)m_width,(GLsizei)m_height);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(45.0,(GLfloat)m_width/(GLfloat)m_height,1.0,1000.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

gluLookAt(scene.Eye[0]-75*cos(scene.rad),scene.Eye[1],scene.Eye[2]-75*sin(scene.rad), //把摄像机的位置设置在机器人后面65个单位，实现跟踪消防车

scene.Look[0],scene.Look[1],scene.Look[2],

0.0,1.0,0.0);

scene.DrawScene();

}

}

glutSwapBuffers();

}

窗口大小变换时调用如下函数：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

void Reshape (int weight, int height)

{

m_width=weight; //记住窗口大小

m_height=height;

glTranslatef (0.0, 0.0, -10.0);

}

8.3.6主函数的实现

主函数中主要进行窗口现实模式的设置，窗口大小、创建窗口等，此外要调用之前列出的回调函数。其形式为：

//注：以下代码写在文件main.cpp中

int main(int argc,char** argv)

{

glutInit(&argc,argv);

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGB| GLUT_DEPTH);

glutInitWindowPosition(100,100); //窗口位置

glutInitWindowSize(screenWidth,screenHeight); //窗口大小

glutCreateWindow("虚拟现实消防灭火三维场景"); //创建窗口及设置窗口标题

Init();

glutKeyboardFunc(Keyboard);

glutSpecialFunc(Control);

glutDisplayFunc(RenderScene);

glutReshapeFunc(Reshape);

glutIdleFunc(RenderScene); //动画效果

glutMainLoop();

return 0;

}