摘   要： 基于OpenGL提出了一種重繪式拾取法，詳細(xì)介紹了拾取方法和具體應(yīng)用。該方法是在原來的繪圖過程中添加一次虛擬繪圖來幫助拾取物體。
關(guān)鍵詞： OpenGL  拾取  點(diǎn)云

　　OpenGL作為一個(gè)性能優(yōu)越的圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)界面而廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算可視化、CAD／CAM、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等領(lǐng)域。其中物體的拾取屬于OpenGL中人機(jī)實(shí)時(shí)交互技術(shù)的一部分。它是由操作者通過輸入設(shè)備輸入相應(yīng)信息，來選取屏幕所顯示的物體。
　　拾取是計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能。在許多情況下，不僅要繪制圖形，而且允許操作者能夠通過輸入設(shè)備操縱屏幕上的物體。有時(shí)還需要獲取物體的空間坐標(biāo)或圖形數(shù)值，所有這些都要以拾取作為實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在使用OpenGL工具包開發(fā)圖形處理系統(tǒng)時(shí)，物體的拾取有多種方法，其中包括OpenGL提供的選擇機(jī)制、射線拾取法（raypicking）等。作者在開發(fā)三維圖形處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大量三維點(diǎn)（點(diǎn)云）的框選功能時(shí)，發(fā)現(xiàn)OpenGL提供的選擇機(jī)制有其自身的缺陷，而射線拾取法又會涉及到過于復(fù)雜的算法。為此研究出一種易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)的物體拾取方法——重繪式拾取法。
1  拾取方法綜述
1.1 OpenGL選擇機(jī)制
　　OpenGL為了解決拾取問題，提供了一種基于名字堆棧和命中記錄的選擇機(jī)制。但是，這種機(jī)制使用限制較多，其拾取最小單位是圖元，而不是空間點(diǎn)，且對于數(shù)據(jù)量較大的物體會因?yàn)槊侄褩５囊绯龆鵁o法成功實(shí)現(xiàn)。另外，OpenGL的選擇機(jī)制使用起來比較麻煩，需要在正常模式和選擇模式之間進(jìn)行切換。
1.2 射線拾取法
　　射線拾取法是通過獲取鼠標(biāo)在屏幕上的點(diǎn)擊點(diǎn)，經(jīng)屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到投影點(diǎn)，以視點(diǎn)為起點(diǎn)，經(jīng)投影點(diǎn)構(gòu)造一條垂直指向屏幕的射線。由于所有物體都位于視錐之內(nèi)，因而只需判斷這條射線與場景中的哪些物體相交，經(jīng)過選擇即可獲取所需要物體。
　　將這種方法應(yīng)用于點(diǎn)云的框選時(shí)，則需要將屏幕上的n個(gè)點(diǎn)擊點(diǎn)所對應(yīng)的n條射線構(gòu)成一個(gè)選擇體。然后，通過算法來對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理判斷，在選擇體內(nèi)部的點(diǎn)就是所要拾取的點(diǎn)。
這種方法的缺點(diǎn)是，對于復(fù)雜的選擇體，判斷物體是否在選擇體內(nèi)部的算法極其復(fù)雜。從而使整個(gè)處理過程耗時(shí)巨大，且如此復(fù)雜的算法也會給整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來一定難度。
1.3 對象緩沖區(qū)的拾取方法
　　對象緩沖區(qū)的拾取方法需要在內(nèi)存中創(chuàng)建對象緩沖區(qū)，且需要對內(nèi)存進(jìn)行大量操作，因而降低了效率。而重繪式拾取法則不需進(jìn)行屏幕數(shù)據(jù)的讀取和拷貝。
1.4 重繪式拾取法
　　重繪式拾取法避免了前述方法的缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)：(1)沒有采用OpenGL選擇機(jī)制。整個(gè)拾取過程都在OpenGL的繪圖模式下完成，因此不必要為每個(gè)物體命名。同時(shí)，避免了在繪圖模式與選擇模式之間的切換。(2)這種方法在框選時(shí)，選擇框可以是方形、圓形等各種自定義形狀，并且此方法容易實(shí)現(xiàn)，不會涉及到復(fù)雜算法。
2  重繪式拾取法
2.1 基本思路
　　重繪式拾取法是在OpenGL繪圖模式下,通過2次繪圖來拾取并顯示物體。第1次繪圖為虛擬繪圖，通過在OpenGL幀緩存中繪制一些輔助圖形來幫助選取物體。這些輔助圖形對于系統(tǒng)使用者是不可見的，因此在確定所選物體之后要將輔助圖形從幀緩存中清除掉才能進(jìn)行第2次繪圖。第2次繪圖為實(shí)際繪圖，所繪圖形為系統(tǒng)使用者看到的真實(shí)圖形。
　　這種拾取方法的過程如下：(1)進(jìn)入虛擬繪圖過程，繪制輔助圖形。根據(jù)不同的應(yīng)用，可以使用不同的輔助圖形。(2)從輔助圖形得出相應(yīng)信息，搜索出所要拾取的物體。(3)進(jìn)入真實(shí)繪圖過程，清除輔助圖形，設(shè)置背景顏色，繪制真實(shí)圖形。在不需要拾取物體的時(shí)候，不必執(zhí)行虛擬繪圖過程，直接執(zhí)行步驟(3)進(jìn)入真實(shí)繪圖過程即可。
　　此種拾取方法與前述的幾種拾取方法也有相通之處。與OpenGL的選擇機(jī)制對比，這種方法雖然沒有進(jìn)入選擇模式建立名字堆棧，但在實(shí)際應(yīng)用中，常會利用不同的顏色值來對物體進(jìn)行區(qū)分，其虛擬繪圖過程相當(dāng)于OpenGL的選擇模式。射線拾取法是通過復(fù)雜的算法來確定物體與選擇體之間的空間位置關(guān)系，從而選取相應(yīng)的物體。而這種重繪式拾取法則將確定空間位置關(guān)系的工作交給了OpenGL，通過輔助圖形和OpenGL提供的函數(shù)來選擇相應(yīng)的物體。
2.2 輔助圖形
　　此方法的第一步虛擬繪圖的主要工作就是要繪制輔助圖形。輔助圖形通常是借助顏色來分辨選中的物體和未被選中的物體。如在點(diǎn)云的框選中，可以將選擇區(qū)域涂成白色，將未被選擇的區(qū)域（背景）涂成黑色，白色區(qū)域中的點(diǎn)即是所要選擇的點(diǎn)。整個(gè)白色的選擇區(qū)域就是在虛擬繪圖中所要繪制的輔助圖形。
　　輔助圖形是整個(gè)重繪式拾取法的核心。對不同的拾取要求(如點(diǎn)的框選或者是大物體的點(diǎn)選等)，輔助圖形各不相同。輔助圖形的選擇決定了拾取功能實(shí)現(xiàn)的成功與否。
2.3 搜索物體
　　此方法的第二步是搜索物體，它需要根據(jù)一些信息來對所有物體進(jìn)行遍歷。目前都是通過顏色信息來確定被選物體。如在點(diǎn)云的框選中，就需要遍歷所有的點(diǎn)，其所在位置的顏色就是決定其是否被選中的依據(jù)。
3  應(yīng)  用
　　這種重繪式拾取方法在作者自行開發(fā)的圖形處理系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用。下面用實(shí)例來介紹這種拾取方法的實(shí)現(xiàn)過程。
　　作者的圖形處理系統(tǒng)是根據(jù)大量的三維點(diǎn)(點(diǎn)云)進(jìn)行曲面重構(gòu)。其中點(diǎn)的拾取是必不可少的。重繪式的拾取方法極其適合點(diǎn)云的框選。其具體處理過程如下。
　　(1)繪制輔助圖形。此輔助圖形為輸入設(shè)備所提供的選擇框，且選擇框的形狀可任意。選擇框的內(nèi)部填充為白色。
　　(2)確定選擇框內(nèi)部的三維點(diǎn)。通過判斷三維點(diǎn)所在位置的屏幕顏色來判斷此點(diǎn)是否為被選點(diǎn)。被選擇的點(diǎn)位于選擇框之內(nèi)，其顏色值應(yīng)為選擇框的顏色(白色)。沒被選中的點(diǎn)位于選擇框之外，其顏色值應(yīng)為背景的顏色(黑色)。
　　這個(gè)過程用到的2個(gè)關(guān)鍵OpenGL API函數(shù)是glReadPixels與gluProject。首先，用函數(shù)glReadPixels讀取幀緩存中的象素值。然后用函數(shù)gluProject將所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)在幀緩存中的位移，由這些位移便可以得到每個(gè)點(diǎn)在幀緩存中的象素值，從而可以判斷出哪些三維點(diǎn)為選中點(diǎn)。
　　注意，函數(shù)glReadPixels只能讀取幀緩存的象素值，捕獲不到顯示窗口外的象素點(diǎn)。因此，當(dāng)選擇框超過當(dāng)前窗口的大小時(shí)，則需要將坐標(biāo)系進(jìn)行縮放，使得選擇框能夠在當(dāng)前窗口中全部顯示。此外，繪圖過程中要使用OpenGL的平坦模式，并且要關(guān)閉燈光和顏色抖動，否則將干擾選擇程序進(jìn)行正確的選擇。
　　(3)清除輔助圖形，繪制真實(shí)圖形。可使用OpenGL的函數(shù)glClear清空屏幕和深度緩存，從而清除掉白色實(shí)心的選擇體。
　　圖1為作者開發(fā)的軟件在框選點(diǎn)之前的截圖。圖2為框選點(diǎn)之后的截圖，圖中有4萬個(gè)三維點(diǎn)(有很多重合點(diǎn))。在框選時(shí)，拾取速度很快且沒有閃屏和漏選的現(xiàn)象。圖2中白色框?yàn)檫x擇框，圖中的點(diǎn)為選中的點(diǎn)。

4  展  望
　　以上所講的只是重繪式拾取法的一個(gè)實(shí)例，對于其他的拾取情況，可以采取不同的輔助圖形和篩選方法來拾取物體，甚至可以利用光照、顏色抖動、材質(zhì)等各種OpenGL提供的繪圖環(huán)境來達(dá)到目的。但是這些技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。
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