纹理映射在飞行仿真系统中的应用

李静

摘要 本文结合飞行仿真系统的开发应用，系统地介绍了纹理映射技术的基本概念，深入剖析了纹理映射的应用方法和技术特点。纹理映射技术在虚拟现实（ VR）场景模拟中有着非常重要的作用，采用OpenGL编程接口，能够增强三维场景绘制的真实性，提高了仿真图形的逼真度。

【关键词】飞行仿真 纹理映射 OpenGL

飞行仿真系统的开发应用非常广泛，其中主要用到虚拟现实技术，它是计算机图形学研究中最重要的内容之，计算机图形学一个主要目的就是利用计算机产生真实感图形。在飞行仿真系统的开发中，三维飞行场景的建立是非常重要的。纹理映射技术是OpenGL中广泛应用的一项重要技术，能够极大地提高虚拟场景的真实感，在三维及虚拟空间中是一项基本技术。它利用纹理图像可以模拟几何物体表面的纹理细节，描述三维场景表面的属性特征。为此，我们需要建立虚拟场景中的三维物体模型，如天空环境、地形、飞机跑道、光照环境和雾环境等场景。

1 纹理映射技术

1.1 纹理的基本概念

OpenGL的纹理映射技术指的是把纹理图像映射到物体表面，即在一个平面区域（纹理空间）上预定义出纹理图案，然后建立物体表面空间和纹理图案坐标之间的映射关系，当物体表面的可见点确定后，就可以根据纹理空间对应点的值将纹理图案附到物体的表面上。

纹理映射的过程：把T中的纹素映射到几何对象的每个点上，几何对象上的每个点又映射到屏幕坐标进行显示。

OpenGL的基本工作流程，如图1所示。

1.2 纹理的映射方式

二维纹理映射的基本方法：

（1）线性纹理映射;

（2）使用两步映射：首先把纹理映射到一个简单的三维中间表面（球面、圆柱面或立方体）上，然后把带有映射纹理的中间表面映射到需要绘制的对象表面。

1.2.1 线性纹理映射

大部分曲面都是用参数表示的，曲面上任一点P是参数u和v的函数。

如果已知参数曲面，线性映射关系如图2所示。

物空间向像空间的映射由观察和投影变换来完成，然而，从纹理空间向像素空间的映射有一个不利因素，即选中的纹理面片常常与像素边界不匹配，通常需要计算像素的覆盖率。因此，我们最常用的纹理映射方法是由像素空间向纹理空间映射，它避免了像素分割计算，并能简化反走样操作。

1.2.2 两步纹理映射

首先，把纹理映射到简单的中介曲面，称为s-映射;再将它从中介曲面映射到最终几何物体表面，称为o-映射。其中，中介表面通常可以为任意方向的平面，圆柱面、立方体表面和球面（当中介表面越能接近景物表面时，纹理图案的变形就越小）。

1.3 纹理映射的基本步骤

1.3.1 纹理的定义

纹理通常可以是一维、二维，在一些应用上也可使用三维纹理进行图形绘制，但程序中常见的是二维纹理。OpenGL中纹理定义可用函数glTexImage2D（）指定目标纹理、纹理尺寸、边界宽度等。

1.3.2 纹理的滤波控制

控制滤波可用函数glTexParameterf（）来实现。控制滤波是因为当纹理图像是方形，而被映射物体是异型时，图像上的像素不能与屏幕上的像素一一对应，因此局部放大或缩小时，就要定义合适的滤波方式，来适当的控制图形。

（1）缩小或放大滤波。通常纹理图形为正方形或矩形，但当映射到曲面上或变换为屏幕坐标后，纹理的单个像素可能很难与屏幕上像素对应，这样屏幕上的单个像素可能对应于纹理中单个元素的一部分（放大滤波）或对应于纹理中多个元素（缩小滤波）。

（2）纹理的重复和缩限。纹理坐标一般定义在[O，11范围内，如果超出这个范围，纹理映射可以在坐标s，t方向上进行重复（GLREPEAT）和缩限（GL_CLAMP ）。

1.3.3 纹理的映射方式

指定纹理映射方式可用函数gITexEnv*（）来实现，纹理在像素上的应用方式主要包括贴花方式（GL DECAL）：在物体上覆盖纹理图像，不让其下任何物体颜色透过;调制方式（GL__ MODULATE）：图像以透明方式贴在物体表面;颜色混合模式（GL BLEND）：使用一个RGBA常量来融合物体原色和纹理图像的颜色。但是在光照下纹理处理效果必须采用调制方式。

1.3.4 绘制场景，指定纹理坐标

确定物体和纹理坐标以及建立两者的对应关系是纹理映射的关键，纹理坐标（s，t）可以利用函数glTexCoord（）来定义，也可以利用计算机自动形成。对于二维纹理图像来说，其纹理坐标沿两个方向的变化范围均为0.0至1.0，物体坐标则可以取任意值，当纹理坐标对应于物体四角的几何坐标时，纹理图像恰好覆盖整个物体表面。但当物体太大时，一般来说，需要在物体表面进行纹理缠绕以覆盖整个表面。此时，需要注意的是物体纹理图像的左右边缘和上下边缘应能够自然相接，这样才能使物体表面的纹理表现比较自然。

纹理映射的基本步骤如图3所示。

2 不同纹理图片格式的加载

2.1 加载TGA格式的纹理图片

TGA格式图像一般有压缩和非压缩两种格式，分别介绍：

（1）非压缩格式前面标记的绿色部分（共12个字节）表示对于所有的非压缩TGA格式图像值都是相同的，通常用于在读取数据时鉴别是否为TGA图像。

例如：绘制一个立方体，并进行纹理贴图。

需要注意的是：TGA图像中数据存放的顺序是BGR（A），而在OPENGL中顺序是RGB（A），所以在进行纹理生成时必须先进行格式转换。在OpenGL中只能加载24位或32位的TGA图像生成纹理。

（2）壓缩纹理。TGA的压缩算法采用了RLE算法，RLE算法的基本思想是将数据分为两大类：

A：连续的不重复字节

B：连续的重复字节

RLE算法应用于RGB格式的图片压缩中，则把数据分为：

A：连续的不重复像素颜色值

B：连续的重复像素颜色值

然后将数据按这两类数据分成若干长度不相等的数据块，每个数据块的开始都是一个1字节长度的header（RLE在纯数据压缩中header是2个字节16位），后面紧跟着data数据块，如下：

Header（l个字节）

Data（变长）

读取其像素数据部分需要注意一下，需要分情况讨论看是A类数据还是B类数据。2.2加载BMP格式的纹理图片

BMP位图文件由四部分组成：位图文件头结构、位图信息头结构、调色板和位图像素数据，如表l所示。

表1：BMP位图文件结构

位图文件头信息结构BITMAPFILEHEADER

位图信息头结构BITMAPINFOHEADER

调色板Palette

位图像素数据DIB Pixel

一个完整的BMP位图文件，可以分为文件信息头，位图信息头和RGB颜色阵列三个部分。

（1）文件信息头主要包含“是否是BMP文件”，文件的大小等信息。

（2）位图信息头则主要包括BMP文件的位图宽度、高度、位平面、通道数等信息。

（3） RGB颜色阵列，里面包含我们所需的BMP位图的像素数据，BMP位图的颜色阵列部分，像素数据的存储是以左下角为原点。

3 三维视景仿真环境的纹理映射

3.1 自然环境的建模

方法：

（1）盒子法：利用六个多边形彼此相邻构成封闭的六面体。分别表示天空的前面、后面、左面、右面、上面、下面，然后對六边形分别进行贴图，最后形成天空。通过构建六边形贴图的天空盒，可看出多边形与多边形交界处有黑线（可以通过改变纹理环绕模式），使用OpenGL函数glTexParameteri设置，参数包括：GL_REPEAT，GL_CLAMP，GLCLAMP TO EDGE。通过比较，可知使用GL CLAMP_ TO EDGE模式可以很好解决纹理交界处的缝隙痕迹，测试可知，三种模式下情景的渲染速度没有明显不同。

（2）平面天空：绘制一个足够大的矩形，使之充满整个屏幕，将包含天空纹理的位图映射到该矩形，使矩形随视点变化，并确保绘制的天空总是位于视点的前方，以保证天空始终可见。当使用这种方法建立天空模型如果出现纹理失真现象时，我们可利用绘制多个多边形而不是单个多边形来形成天空模型（使用多幅纹理图形来完成整个天空建模，避免了纹理的拉伸变形）。

（3）球形法：创建一个巨大的圆顶形半球面，将整个场景框进去，然后将天空的纹理图片映射到半球面上。这样，我们可以看到一整片浩瀚无边的天空，如图4所示，天空效果图如图5所示。

设球的中心在原点，半径为R球面方程：X2+Y2+22=R2;

f（p）= X2+Y2+22-R2;其中，p为球面一点。

F（p）=（px，py，pz）=f（R，）

球面可通过一系列三角形来形成一个球面，当三角形足够多的时候，就可以得到一个理想球面。优点：天空模型逼真，符合人们对天空的直观认识，并且对纹理没有过高的要求。缺点：建模过程较复杂，编程量大，渲染速度慢，并且随天空场景越大，系统消耗越大，不适用于大型的天空场景建模。

3.2 地形环境的建模

随着计算机图形硬件和计算机图形学的发展，地形的显示从二维地形图发展到三维真实感地形环境的阶段。地形的建模目前主要有两种方法：真实地形和模拟地形。真实地形现实世界中地形的真实再现，通过获取实际数据来构造，这种方式真实感强，但数据结构复杂且生成图形速度慢。模拟地形通常可以采用随机生成地形算法和分形算法，本文中着重介绍模拟地形方法，由于飞行场景中地形的建模对真实感要求不高，但对实时性要求较高，此方法生成地形速度较快，在视觉上满足真实地形的再现。

本文中，地形建模的方法是通过读取RAW文件中的地形数据，然后进行地形渲染的同时进行纹理映射。地形数据的获得与地形的渲染方法：首先读出RAW文件中的数据，然后根据一定的映射关系将数据映射到地形的高程上。高度图的格式：高度图的文件格式是RAW，这个格式不包含诸如图像类型和大小信息的文件头，所以易于被读取。RAW文件只是简单的二进制文件，只包含地形的高度数据。由于高度图通常是一张8位灰度图。它的高度值变化范围是在0-255之间，其中O（黑色）表示最低高度而255（白色）表示最大高度。可以使用一个缩放值增加这个间隔，用这个缩放值乘以默认高度值，增加其范围，这样可以增加高度范围，但会使两个高度之间的误差变大。

具体实现步骤：

（1）首先通过函数LoadRawFile（）读出RAW文件中的数据。先将其保存到一个数组中，然后将其映射为高程数据。

（2）根据地形的X和Y坐标，从RAW文件中读出的数据映射到地形的高程值。

（3）根据从RAW获得的三维地形的每个顶点数据，以三角形面片的形式渲染地形。

同样，我们也可以采取随机生成地形算法来进行地形场景建模。飞行场景对真实感要求不高，而对于地形实时性要求很高。所以，采用基于数据模拟方法来模拟地形，通过随机生成地形算法来获取的地形高程数据，再采用线性差值算法对其生成的地形网格进行平滑处理，并将其映射到地形高程值。

生成的地形网格如图6所示，地形纹理效果如图7所示。

4 结束语

纹理映射技术是OpenGL中广泛应用的一项重要技术，能够极大地提高虚拟场景的真实感，在三维及虚拟空间中是一项基本技术。在虚拟仿真研究中应用很广泛，是计算机图形学研究中最重要的内容之一，主要目的就是利用计算机产生真实感图形。在三维飞行仿真场景的开发中，纹理技术应用是很常见的，我们需要建立虚拟场景中的三维物体模型，如天空环境、地形、飞机跑道、光照环境和雾环境等场景，并使用纹理技术为三维场景进行纹理贴图，增强三维效果，使人身临其境。

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