OpenGL 地形生成 - 简介

Vahe Karamian

4.59/5 (26投票s)

2006年5月18日

10分钟阅读

337125

26815

此代码将演示如何从位图文件生成地形。

Sample Image

引言

我一直对计算机图形及其应用很感兴趣。数据表示和可视化是人机交互 (HCI) 的主要领域之一，人机交互越好，人和机器的生产力就越高。我在本科期间在加州理工大学学习时，有一些 OpenGL 的经验。不幸的是，考虑到我的时间和工作职责，我从未有机会深入学习 OpenGL 库的高级功能。

您可以在 www.opengl.org 上找到更多关于 OpenGL 的信息。此外，还有许多关于计算机图形学和 OpenGL 的优秀文献可供您参考。请查看“背景/参考”部分，了解我通常用于计算机图形学的一些参考资料。

以下项目是一个非常简单的示例，演示如何基于位图文件生成地形。项目的目标是基于某个数据文件生成三维地形。请注意，这可以是任何数据文件，但为了我们的示例，我们将使用一个 32x32 的位图文件。我们也可以很容易地使用文本文件，并为每个单词或字母定义逻辑以图形方式表示它。

该项目还包含一个很好的 Windows 框架，可用于您的其他 OpenGL 应用程序。当前项目允许您使用鼠标旋转相机。

再说一遍，这是一种简单的地形生成方法，在复杂环境中，地形生成可能是一项非常困难的任务。

背景/参考

由于计算机图形学是一个相对高级的主题，因此至少需要对该领域的概念和理论有一定的理解和接触。但是，这并不意味着您无法使用以下代码或理解它。我已经将其编写得尽可能简单，并希望它能为您提供一个好的起点，或一些额外的可用信息源用于您的项目。另外，请注意，您需要对 C/C++ 编程有很好的理解。

我学习计算机图形学和 OpenGL 编程时使用的一些书籍

我在加州理工大学学习时使用的书籍

OpenGL 编程指南，或更广为人知的“红宝书”。
使用 OpenGL 的计算机图形学，第二版。

我在加州路德大学学习时使用的书籍

OpenGL：入门，第二版。
交互式计算机图形学：自顶向下方法（使用 OpenGL），第四版。

什么是地形？

关于地形及其在游戏应用中的用途的一些背景信息：地形是渲染场景中最关键的组成部分之一。它很容易成为项目中最大的 3D 对象。渲染地形可能是一项艰巨的任务，需要花费最多时间进行渲染。要使地形引擎实时运行可能很困难，需要经过仔细的思考和建模才能使其足够高效。

为了有效，地形需要满足许多可能相互矛盾的要求。地形应该对最终用户看起来是连续的，但网格应在可能的情况下进行简化或剔除，以减少显卡的负担。

例如，在游戏系统中，一些引擎绘制的地形略超出玩家可达范围，然后使用绘制在天空盒上的地形来模拟远处的山丘或山脉。地形应该看起来与环境的设置相符，但这对显卡来说可能很耗费资源，因此需要保持平衡。细节纹理通常靠近相机使用，以便更快地渲染远处区域。

什么是高度图？

地形渲染所需的第一件事是地形形状的表示。虽然有许多结构可以完成这项工作，但最常用的是高度图。其他方法包括：NURBS，可以通过一系列控制点来维护；以及体素，它们允许悬垂和洞穴。

高度图有一个缺点，那就是，对于 XZ 平面上的每个点，只能有一个高度值。您可以看到，这限制了高度图对悬垂和洞穴的表示。可以通过使用两个单独的模型来克服这一点。

另一个缺点是高度图占用大量内存，因为每个高度都需要表示。另一方面，高度图很容易创建规则的网格。确定任何给定位置的高度也很容易，这对于与地形的碰撞以及在地形上放置动态阴影非常有用。

高度图由一个二维值数组表示，其中对于任何点 (X, Y, Z)，X 和 Z 是数组的索引，数组的值是 Y 值，相当于高度值。

以下是此类表示的一个示例

int height[5][5] ={
{ 0, 0, 1, 1, 2 },
{ 0, 1, 2, 2, 3 },
{ 0, 1, 3, 2, 3 },
{ 0, 1, 2, 1, 2 },
{ 0, 0, 1, 1, 1 } };

0	1	1	2
1	2	2	3
1	3	2	3
1	2	1	2
0	1	1	1

方法！

有许多高级算法可以生成地形；我正在为本项目使用一个非常简单的解决方案。

简而言之，我使用了一个 32x32 的灰度位图来表示用于生成地形的高度场。地形本身被划分为一系列高度值网格，结果是在场景中代表地形的网格。

我们创建了一个顶点网格，这些顶点间隔均匀，但具有不同的高度，基于高度场数据。每个位的颜色值用于确定每个网格位置的高度值；在这种情况下，对于 24 位灰度位图，颜色值的范围从 0 到 255。

一旦读取了位图并将值加载到内存中，我们就拥有了表示地形所需的数据。我们还使用一个名为 MAP_SCALE 的变量来允许我们放大或缩小地图。这是一个缩放因子；我们使用它来设置每个高度顶点之间的距离。这允许我们增加或减小地形的大小。

当我们实际为每个网格位置分配顶点坐标时，我们需要应用 MAP_SCALE 因子，该因子将其与基于坐标元素的网格位置索引相乘，即：

Terrain[X][Z][0] = Float(X)*MAP_SCALE;
Terrain[X][Z][1] = (float) imageData[(Z*MAP_SCALE+X)*3];
Terrain[X][Z][2] = Float(Z)*MAP_SCALE;

地形图以高度值网格的形式表示，该网格在内部存储在二维顶点坐标数组中。它沿着 X 和 Z 轴延伸，Y 轴代表地形高度。

为了渲染地形图，我们为沿 Z 轴的每个网格值行使用 GL_TRIANGLE_STRIP。为了正确渲染地形，我们需要以特定的顺序指定点。

这要求我们从行的末端开始，沿着正 X 轴移动，以 Z 字形绘制顶点。

以下是用于生成高度场的位图样本

以下是基于位图文件生成的地形输出

Using the Code

我将仅在此处列出与地形生成相关的代码。项目中还有更多代码供您查看。它文档齐全，所以您应该不会有任何问题。该解决方案是使用 MS Visual Studio 2003 编译的，因此您应该可以轻松地编译和运行它。您需要拥有 OpenGL 库和 DLL，我也会提供下载选项，以防您没有。让生活轻松一点，这样您就不必在线搜索它们了。

因此，大部分代码用于正确准备窗口以渲染场景。正如您在下面看到的，用于生成和渲染地形的代码非常简短。概述一下，首先发生的是创建窗口，然后初始化 OpenGL，读取 BMP 文件并将其分配给上面讨论的二维数组。然后，纹理被应用到网格表面，场景渲染到屏幕上。

废话不多说，以下列表是初始化和生成地形的代码部分。

.
.
.
// InitializeTerrain()
// desc: initializes the heightfield terrain data
void InitializeTerrain()
{
    // loop through all of the heightfield points, calculating
    // the coordinates for each point
    for (int z = 0; z < MAP_Z; z++)
    {
        for (int x = 0; x < MAP_X; x++)
        {
            terrain[x][z][0] = float(x)*MAP_SCALE;
            terrain[x][z][1] = (float)imageData[(z*MAP_Z+x)*3];
            terrain[x][z][2] = -float(z)*MAP_SCALE;
        }
    }
}
.
.
.

上面的代码是我们讨论的应用 MAP_SCALE 的实现，它允许我们根据自己的喜好缩放地形。因此，它基本上为每个网格位置分配顶点坐标，MAP_SCALE 因子，该因子将其与基于坐标元素的网格位置索引相乘。它沿着 X 和 Z 轴延伸，Y 轴代表地形高度。

该函数在位图从 Initialize() 函数加载到内存后调用。

.
.
.
// Render
// desc: handles drawing of scene
void Render()
{
    radians =  float(PI*(angle-90.0f)/180.0f);

    // calculate the camera's position
    // multiplying by mouseY makes the
    // camera get closer/farther away with mouseY
    cameraX = lookX + sin(radians)*mouseY;
    cameraZ = lookZ + cos(radians)*mouseY;
    cameraY = lookY + mouseY / 2.0f;

    // calculate the camera look-at coordinates
    // as the center of the terrain map
    lookX = (MAP_X*MAP_SCALE)/2.0f;
    lookY = 150.0f;
    lookZ = -(MAP_Z*MAP_SCALE)/2.0f;

    // clear screen and depth buffer
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    glLoadIdentity();

    // set the camera position
    gluLookAt(cameraX, cameraY, cameraZ, 
              lookX, lookY, lookZ, 0.0, 1.0, 0.0);

    // set the current texture to the land texture
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, land);

    // we are going to loop through all
    // of our terrain's data points,
    // but we only want to draw one triangle
    // strip for each set along the x-axis.
    for (int z = 0; z < MAP_Z-1; z++)
    {
        glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);
        for (int x = 0; x < MAP_X-1; x++)
        {
            // for each vertex, we calculate
            // the grayscale shade color, 
            // we set the texture coordinate,
            // and we draw the vertex.

            // draw vertex 0
            glColor3f(terrain[x][z][1]/255.0f, 
                      terrain[x][z][1]/255.0f, 
                      terrain[x][z][1]/255.0f);
            glTexCoord2f(0.0f, 0.0f);
            glVertex3f(terrain[x][z][0], 
                       terrain[x][z][1], terrain[x][z][2]);

            // draw vertex 1
            glTexCoord2f(1.0f, 0.0f);
            glColor3f(terrain[x+1][z][1]/255.0f, 
                      terrain[x+1][z][1]/255.0f, 
                      terrain[x+1][z][1]/255.0f);
            glVertex3f(terrain[x+1][z][0], terrain[x+1][z][1], 
                       terrain[x+1][z][2]);

            // draw vertex 2
            glTexCoord2f(0.0f, 1.0f);
            glColor3f(terrain[x][z+1][1]/255.0f, 
                      terrain[x][z+1][1]/255.0f, 
                      terrain[x][z+1][1]/255.0f);
            glVertex3f(terrain[x][z+1][0], terrain[x][z+1][1], 
                       terrain[x][z+1][2]);

            // draw vertex 3
            glColor3f(terrain[x+1][z+1][1]/255.0f, 
                      terrain[x+1][z+1][1]/255.0f, 
                      terrain[x+1][z+1][1]/255.0f);
            glTexCoord2f(1.0f, 1.0f);
            glVertex3f(terrain[x+1][z+1][0], 
                       terrain[x+1][z+1][1], 
                       terrain[x+1][z+1][2]);
        }
        glEnd();
    }
    // enable blending
    glEnable(GL_BLEND);

    // enable read-only depth buffer
    glDepthMask(GL_FALSE);

    // set the blend function
    // to what we use for transparency
    glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE);

    // set back to normal depth buffer mode (writable)
    glDepthMask(GL_TRUE);

    // disable blending
    glDisable(GL_BLEND);

    glFlush();
    // bring backbuffer to foreground
    SwapBuffers(g_HDC);
}
.
.
.

您在 Render() 函数中看到的第一件事是将角度转换为弧度，使用公式：radians = float(PI*(angle-90.0f)/180.0f);。这使得使用 sin() 和 cos() 函数计算 cameraX、cameraY 和 cameraZ 位置更容易。

下一块代码将摄像机的视点设置在地Hình中心。然后，我们使用 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 清除屏幕和深度缓冲区。我们根据摄像机 (X, Y, Z) 值和计算出的视点来设置摄像机位置。

然后我们使用 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture); 函数绑定纹理。这告诉 OpenGL 我们将使用该特定纹理来绘制我们的表面。

到目前为止，所有代码只是用于设置摄像机位置和绑定纹理，下一块代码才是实际绘制地形并将纹理应用到表面。我们有两个 for 循环，它们遍历我们创建的存储地形数据的二维数组，正如我们之前讨论过的，我们一次处理四个顶点。在此过程中，我们计算灰度色调，设置纹理，然后绘制顶点。

给定一个 24 位位图文件，这就是生成地形所需的大部分内容。

关注点

如果您正在阅读这篇文章，那么您很可能对计算机图形学感兴趣，并希望更多地了解可用于进行真正酷炫工作的技术。计算机图形学在理论上可能非常复杂，但感谢 OpenGL 等库，可以轻松实现复杂的模型/场景。在撰写本文时，我收到了最新一期的 Dr. Dobb's Journal（2006 年 6 月，第 385 期），令我惊讶的是，有一篇关于 OpenGL 和移动设备的文章。它名为 OpenGL ES，是 OpenGL 1.3 的一个子集。这将使得在手持设备上进行实时 3D 图形成为可能。想象一下为您的 PDA 或手机开发多少精美的应用程序/游戏！由于手持硬件的限制，并非所有功能都可用。但我认为，在不久的将来，您将能够在手持设备上创建与在普通台式机上一样迷人的图形。

另外，我将开始撰写一篇新文章，介绍 LoadBitmapFile(char *filename, BITMAPINFOHEADER *bitmapInfoHeader) 函数。我期待听到您对未来文章的评论和建议。