基于OpenGL的實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于OpenGL的實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文介紹了基于penGL的實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并介紹模板緩存在圖形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、滑動(dòng)變阻器的三維可視化以及通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)其縮放和挪動(dòng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能。關(guān)鍵字penGL；滑動(dòng)變阻器；仿真；紋理；模板緩存物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，學(xué)生不僅可以從物理實(shí)驗(yàn)中獲取感性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)探究才能和培養(yǎng)動(dòng)手技巧，而且物理實(shí)驗(yàn)在增加物理教學(xué)的興趣性方面也有著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，計(jì)算機(jī)在輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如模擬實(shí)驗(yàn)過程、演示實(shí)驗(yàn)原理、進(jìn)展數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)控制和測量等方面都有了廣泛的應(yīng)用，這也有力地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革步伐。在

2、計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，AI課件在輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著舉足輕重的作用。物理實(shí)驗(yàn)AI課件模擬實(shí)驗(yàn)過程、演示實(shí)驗(yàn)原理、進(jìn)展實(shí)驗(yàn)控制等的仿真程度越高，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果影響就越好。目前，老師多以Flash等工具來制作多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，很多情況下不能模擬實(shí)驗(yàn)過程，更加難實(shí)現(xiàn)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)控制，如實(shí)現(xiàn)直流電路中的滑動(dòng)變阻器根據(jù)滑塊的挪動(dòng)來及時(shí)準(zhǔn)確地控制電路，實(shí)現(xiàn)直流電路的仿真控制。本文將要介紹在penGL環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。penGL是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件接口，是美國高級(jí)圖形和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司SGL開發(fā)的三維圖形庫。它實(shí)際上是與圖形硬件完全無關(guān)的程序設(shè)計(jì)API，獨(dú)立

3、于操作系統(tǒng)，有著強(qiáng)大的圖形功能和良好的跨平臺(tái)移植才能，具有可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、伸縮性好、靈敏性強(qiáng)、易用等特點(diǎn)。penGL實(shí)現(xiàn)二維和三維的高級(jí)圖形技術(shù)，在性能上表現(xiàn)得異常優(yōu)越，它包括建模、變換、顏色形式設(shè)置、光照與材質(zhì)設(shè)置、雙緩存動(dòng)畫以及更先進(jìn)的才能，如紋理映射、物體運(yùn)動(dòng)模糊等。penGL的這些才能為實(shí)現(xiàn)逼真的三維渲染效果，建立交互的三維景觀等提供了優(yōu)秀的軟件工具。3.1需求分析實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器是直流電路中最常用的實(shí)驗(yàn)儀器之一。系統(tǒng)應(yīng)提供多種交互手段，用戶和系統(tǒng)的交互主要通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)展。鍵盤主要應(yīng)用在輔助鼠標(biāo)進(jìn)展多個(gè)物體的選擇，其他的交互都是用鼠標(biāo)來完成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的滑動(dòng)變阻器可以根據(jù)所連

4、接在電路中的接線柱和滑塊的位置來及時(shí)準(zhǔn)確地改變電路中的電阻，同時(shí)系統(tǒng)也必須提供將滑動(dòng)變阻器連接到電路中的接口。3.2功能縮放和挪動(dòng)。主要實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)變阻器在上下左右和對(duì)角線方向的縮放功能，可以通過鼠標(biāo)的拖動(dòng)來完成如圖1。圖1鼠標(biāo)縮放圖像滑塊挪動(dòng)。滑動(dòng)變阻器在電路中電阻的變化主要是通過滑動(dòng)滑塊來實(shí)現(xiàn)的。在正確連接的情況下，滑塊挪動(dòng)可以改變滑動(dòng)變阻器在電路中的有效電阻，從而實(shí)現(xiàn)變阻器在電路中的限流、分壓作用等。本文中的滑塊挪動(dòng)功能是通過在滑塊上綁定一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)和滑塊彼此關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)滑塊挪動(dòng)，效果如圖2所示。圖2使用鼠標(biāo)拖動(dòng)滑塊接線柱。滑動(dòng)變阻器在電路中起到保護(hù)電路、限制電路電流

5、和分擔(dān)電壓等作用，是通過使用接線柱將滑動(dòng)變阻器連接到電路中來實(shí)現(xiàn)的，所以接線柱的連接功能是必不可少的如圖3。圖3接線柱功能4.1紋理貼圖技術(shù)紋理貼圖技術(shù)又稱為紋理映射技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文選用紋理貼圖技術(shù)是出于兩方面的考慮，第一，使用penGL建模所創(chuàng)立的幾何造型不可以描繪物體的微觀細(xì)節(jié)，而利用紋理圖像可以到達(dá)模擬物體外表豐富的細(xì)節(jié)的目的，在很大程度上可以進(jìn)步圖形的真實(shí)性；第二，采用紋理映射的方法，可以很好地簡化建模過程。本文中的滑動(dòng)變阻器造型，假如使用penGL直接建模時(shí)有許多的細(xì)節(jié)需要表現(xiàn)，想要?jiǎng)?chuàng)立出真實(shí)感非常強(qiáng)的滑動(dòng)變阻器，需要的工作量是很大的，假設(shè)采用紋理

6、映射，只要?jiǎng)?chuàng)立簡單的模型。在這里使用penGL繪制兩個(gè)簡單的正方形模型，分別使用經(jīng)過處理的三維立體效果很好的不含滑動(dòng)變阻器滑塊的圖片和單獨(dú)的滑塊圖片貼到模型外表即可。相比擬而言，使用紋理貼圖的工作量要小很多。紋理映射Textureap是將指定的圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用到一個(gè)幾何圖元上，使用紋理繪制的一般步驟為：導(dǎo)入紋理，將紋理貼圖到幾何圖形上。4.1.1導(dǎo)入紋理應(yīng)用紋理繪制的第一步就是要將紋理載入到內(nèi)存中，同時(shí)設(shè)置紋理圖像。下面的代碼能實(shí)現(xiàn)該功能：:glGenTextures(1，_textureNaes)；BITAPB；HBITAPhBp=(HBITAP):LadIage(NULL，_bpFile，IA

7、GE_BITAP，0，0，LR_LADFRFILE|LR_REATEDIBSETIN)；:Getbjet(hBp，sizef(B)，B)；:glBindTexture(GL_TEXTURE_2D，_textureNaes)；glTexIage2D(GL_TEXTURE_2D，0，GL_RGB，B.bidth，B.bHEight，0，GL_BGR_EXT，GL_UNSIGNED_BYTE，B.bBits)；其中_textureNaes表示的是需要載入的紋理圖片的文件名參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)24位位圖文件的載入。在將紋理應(yīng)用到幾個(gè)圖形之前，還需要指定紋理時(shí)的過濾方式。4.1.2將紋理貼圖到幾何圖形上將紋

8、理貼圖到幾何圖形上的關(guān)鍵問題就是指定紋理坐標(biāo)，紋理坐標(biāo)控制紋理圖像中的像素是按照什么樣的方式映射到幾何圖形上。penGL中指定紋理坐標(biāo)的函數(shù)是vidglTexrd1234sifdv(TYPErds)，貼圖效果如圖4所示。圖4紋理貼圖效果4.2模板緩沖區(qū)的使用從圖4可以看到，紋理貼圖以后，滑塊上有一局部白色區(qū)域覆蓋了下一層的貼圖，使得兩個(gè)圖片不可以很好地交融在一起，通過使用penGL中的模板緩沖技術(shù)可以解決這樣的問題，就是使用一個(gè)模板圖案來渲染一個(gè)不規(guī)那么的形狀，將滑塊上的白色區(qū)域去掉。4.2.1模板緩存在現(xiàn)實(shí)世界中，模板就是一塊平的紙板或其它材料，模板緩存的用處之一，就是將繪圖范圍限制在屏幕的

9、特定區(qū)域。模板緩存用來進(jìn)展復(fù)雜的掩模(asking)操作。一個(gè)復(fù)雜的形狀可以存儲(chǔ)在模板緩存里，然后繪制子序列操作可以使用模板緩存里的內(nèi)容來決定是否更新象素。4.2.2使用模板緩存的操作方法申請(qǐng)模板緩存區(qū)為了使用penGL的模板功能，首先必須使用平臺(tái)特定的penGL設(shè)置過程懇求一個(gè)模板緩存區(qū)。在以V+.NET為根底的penGL平臺(tái)中，是在設(shè)置像素格式時(shí)在PIXELFRATDESRIPTR構(gòu)造中指定的模板緩存，并且需要指定模板緩存的位數(shù)。假如使用GLUT，在初始化顯示形式時(shí)懇求一個(gè)模板緩存區(qū)，下面的代碼設(shè)置了帶模板緩存的雙緩存RGB顏色緩存區(qū)：glutInitDisplayde(GL

10、UT_RGB|GLUT_DUBLE|GLUT_STENIL)。模板測試在現(xiàn)代硬件加速的penGL現(xiàn)實(shí)中，模板操作相對(duì)較為快速，但是仍然可以并且有必要使用glEnable/glDisable來及時(shí)翻開和關(guān)閉模板測試功能。翻開模板測試以后，繪圖只在那些通過了模板測試的位置進(jìn)展。在進(jìn)展模板測試之前，指定要寫入模板緩存區(qū)的去除值，通過函數(shù)gllearStenil來完成，函數(shù)原型為vidgllearStenil(Glints)。模板測試的設(shè)置可以通過下面的函數(shù)完成：vidglStenilFun(Glenufun，Glintref，Gluintask)。fun參數(shù)的值是告訴penGL如何把已

11、經(jīng)存儲(chǔ)在模板緩存中的與ref參數(shù)所指定的值進(jìn)展比擬。也可以指定一個(gè)掩碼，在進(jìn)展比擬之前，將指定的掩碼與ref值和模板緩存區(qū)中的值進(jìn)展AND操作。創(chuàng)立模板圖案在繪圖之前，要確保模板緩存區(qū)被去除，調(diào)用函數(shù)gllear()來去除緩存，函數(shù)原型為vidgllear(Glbitfieldask)，在去除操作中所使用的值是由前面的函數(shù)gllearStenil(Glints)設(shè)置的。在啟用了模板測試之后，就使用glSteneFun函數(shù)的參數(shù)與存儲(chǔ)在模板緩存區(qū)內(nèi)的值進(jìn)展測試。根據(jù)測試結(jié)果，值片段或者被寫入，或者丟棄。模板緩存區(qū)本身在測試過程中也會(huì)進(jìn)展修改，進(jìn)入模板緩存區(qū)的值取決于如何調(diào)用glSt

12、enilp函數(shù)：vidglStenlp(Glenufail，Glenuzfail，Glenuzpass)。函數(shù)中的參數(shù)值告訴penGL假如模板測試失敗，應(yīng)該如何修改模板緩存區(qū)的值。接下來要?jiǎng)?chuàng)立模板圖案，本文中所創(chuàng)立的模板圖案是滑塊中的白色區(qū)域，使用自定義函數(shù)vidDraveRhestat()來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)代碼在本文中使用模板緩存來實(shí)現(xiàn)去除滑動(dòng)變阻器滑塊中的白色區(qū)域的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：glDraBuffer(GL_NNE)；glEnable(GL_STENIL_TEST)；gllearStenil(0 x1)；glStenilFun(GL_ALAYS，0 x1，0 x1)；glSte

13、nilp(GL_ZER，GL_ZER，GL_ZER)；gllear(GL_STENIL_BUFFER_BIT)；DraPlygn()；glDraBuffer(GL_BAK)；glStenilFun(GL_EQUAL，0 x0，0 x1)；glStenilp(GL_KEEP，GL_KEEP，GL_KEEP)；Dra(_textureNaes)；glDisable(GL_STENIL_TEST)；其中Dra(_textureNaes)函數(shù)是自定義，完成對(duì)紋理圖片的繪制，_textureNaes表示的是需要載入的紋理圖片的文件名參數(shù)。實(shí)現(xiàn)效果如圖5所示。實(shí)現(xiàn)代碼中的函數(shù)DraPlygn

14、()通過上面的分析可以知道，使用模板緩存是為了去除滑塊中的白色區(qū)域，而自定義函數(shù)DraPlygn()在程序中的功能是用來創(chuàng)立模板圖案，也就是在函數(shù)中繪制滑塊中白色區(qū)域以外的那局部區(qū)域，這局部是一個(gè)不規(guī)那么的多邊形。penGL中多邊形的創(chuàng)立規(guī)那么，一是所有的多邊形都必須是平面的，二是多邊性的邊必須不相交，并且多邊形必須是凹的。根據(jù)第二個(gè)規(guī)那么，函數(shù)DraPlygn()中繪制的多邊形必須是凸的，因此要把所要繪制的模板圖案分解成多個(gè)凸多邊形。繪制凸多邊形使用glBegin(GL_PLYGN)/glEnd()來完成，glBegin()與glEnd()之間用來指定所要繪制的凸多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)，而這些頂點(diǎn)坐標(biāo)可以通過滑塊