摘 要：介紹了在交互式C語言開發(fā)平臺LabWindows/ CVI 下，利用OpenGL 圖形系統(tǒng)的功能來設(shè)置LabWindows/ CVI 與OpenGL 的圖形接口、建立OpenGL 光照、視圖和渲染描述表及利用OpenGL基本圖元建立六自由度機(jī)器手的三維模型的新方法，并且利用OpenGL的雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的交互式界面。在此開放的仿真系統(tǒng)下，可直觀、正確地模擬機(jī)器手的運(yùn)動情況，還能方便地進(jìn)行機(jī)器手運(yùn)動軌跡的仿真研究。

機(jī)器手三維建模仿真是機(jī)器人各項仿真中的一個重要組成部分，對于機(jī)器手的運(yùn)動軌跡仿真有重要的指導(dǎo)意義。LabWindows/ CVI(以下簡稱CVI) 是美國NI 公司推出的交互式C 語言開發(fā)平臺。其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了語言的功能，為熟悉C 語言的開發(fā)人員提供了一個理想的軟件開發(fā)平臺[1]。由于在CVI 中已經(jīng)集成了OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)，并且OpenGL編程類似于C 編程，實(shí)際接口就是C，相對基于Visual C++基礎(chǔ)類庫MFC 和OpenGL 開發(fā)的三維仿真平臺，在CVI 中利用可視化技術(shù)，開發(fā)基于OpenGL 的三維圖形更方便快捷，同時可在此三維模型平臺上方便地進(jìn)行軌跡規(guī)劃和控制算法等方面的仿真研究。

1 OpenGL的簡介和基本操作過程

1.1 OpenGL簡介

OpenGL圖形系統(tǒng)是圖形硬件的一種軟件接口。OpenGL是SGI公司開發(fā)的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)質(zhì)上就是一個三維圖形和模型庫，具有高度的可移植性，可以在多種操作系統(tǒng)平臺上運(yùn)行，例如各種版本的Windows、Unix/ Linux 和Mac OS等，具有非常快的渲染速度。它可以對計算機(jī)圖形技術(shù)進(jìn)行控制，產(chǎn)生逼真的圖像或者虛構(gòu)出現(xiàn)實(shí)世界沒有的圖像，是高性能圖形和交互式場景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。OpenGL 是一種高性能的開放式圖形庫，它的圖形API以函數(shù)形式提供了115個核心庫函數(shù)、43個實(shí)用庫函數(shù)GLU、31個編程輔助庫函數(shù)GLAUX以及若干個X-Windows/MS-Windows專用庫函數(shù)GLX/WGL。OpenGL提供了多種三維圖形的繪制方法，包括線框繪制方式、深度優(yōu)先方式、反走樣方式、平面明暗處理方式、光滑明暗處理方式、陰影和紋理方式、運(yùn)動模糊方式、大氣環(huán)境效果、深度域效果[3]。OpenGL的這些功能可以實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果，創(chuàng)建交互性三維場景和視景動畫。

1.2 OpenGL的基本操作過程

OpenGL對三維圖形操作可以歸納為：場景描述、設(shè)置光照、觀察場景、光柵化，這個過程與人們觀察世界的過程是一致的，其具體操作步驟如下：

(1) 根據(jù)基本圖形建立景物模型，并對所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；

(2)把景物模型放在三維空間中合適的位置，并設(shè)置視點(diǎn)（Viewpoint），以觀察場景；

(3) 計算模型中所有物體的色彩，同時確定光照條件、紋理映射方式等；

(4) 把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)化至屏幕上的像素，即光柵化（Rasterization）。在這些步驟的執(zhí)行過程中，OpenGL 還可能執(zhí)行其他操作，如圖1所示。

程序從圖1的左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過一系列的運(yùn)算處理，將幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖像像素數(shù)據(jù)加工后生成待顯示的幀。另外，景物光柵化之后被送入幀緩存前，還可以根據(jù)需要對像素進(jìn)行操作。

2 在LabWindows/CVI中配置OpenGL

在CVI開發(fā)環(huán)境中使用OpenGL開發(fā)三維仿真圖形的關(guān)鍵是如何配置CVI和OpenGL的圖形接口。

2.1 添加與OpenGL相關(guān)的頭文件和庫文件

在CVI下創(chuàng)建一個新的工程文件：OGLHand.prj，在OGLHand.c文件首部添加4個頭文件：

#include

#include//基本庫

#include//實(shí)用庫

#include//輔助庫

在CVI編輯器的主菜單“edit”中選取“Add Files to Project”下的“Library”，在彈出的對話框里選取CVIsdklib中的3個庫文件：glu32.lib、glaux.lib和opengl32.lib并添加到當(dāng)前工程中。

2.2 設(shè)置CVI與OpenGL圖形接口

雖然OpenGL已經(jīng)內(nèi)嵌在CVI中，但是要讓CVI控件顯示OpenGL圖形，必須把CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件。需要在工程中添加函數(shù)cviogl.fp，其路徑為：CVItoolslibcustctrl。并在OGLHand.c文件首部添加：#include'cviogl.h'。

在主函數(shù)main()里調(diào)用函數(shù)將CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件并返回控件句柄OGLCtrl，再調(diào)用InitControl()函數(shù)初始化OpenGL屬性，最后調(diào)用int OGLRefreshGraph(int Panel_Handle,int OGL_Control_Id)函數(shù)及時更新OpenGL控件圖形的場景和圖形屬性。

3 基于LabWindows/CVI和OpenGL的機(jī)器手三維建模

3.1建立OpenGL光照、視圖及透視模式

視圖決定模型在場景中的位置，同時要選擇一個有利的觀察點(diǎn)來觀察場景。通過定義光照、視圖及透視模式就能在二維屏幕上顯示出立體的三維圖形，這些都放在InitControl()函數(shù)中定義，包括初始化系統(tǒng)光照和初始化視圖位置。

// 初始化系統(tǒng)光照

OGLSetCtrlAttribute(hPanel,this->hControl,

OGLATTR_LIGHTING_ENABLE, 1);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_LIGHT_SELECT, 1);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_LIGHT_ENABLE, 1);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_LIGHT_DISTANCE, 2.0);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_LIGHT_LATITUDE, 30.0);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_LIGHT_LONGITUDE, 150.0);

// 初始化系統(tǒng)視圖位置

OGLSetCtrlAttribute(hPanel,this->hControl,

GLATTR_PROJECTION_TYPE,OGLVAL_PERSPE CTIVE);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_VIEW_DIRECTION,OGLVAL_ USER_DEFINED);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_VIEW_CENTERX, 0.0);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_VIEW_CENTERY, 0.0);

OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,

OGLATTR_VIEW_CENTERZ, 1.0);

3.2 建立渲染描述表

渲染圖像就是計算機(jī)根據(jù)模型創(chuàng)建圖像的過程，即三維圖形的顯示過程。要把一個物體的三維坐標(biāo)變換為屏幕上的像素坐標(biāo)，最終使圖形在屏幕上顯示。

OpenGL坐標(biāo)變換包括：幾何變換、投影變換、剪取變換和視區(qū)變換，三維圖形的顯示流程如圖2所示。

視區(qū)變換矩陣：GLViewport(x,y,width,height)；其中，參數(shù)x,y是視區(qū)在屏幕窗口坐標(biāo)系中的左上角坐標(biāo)，width和height分別為視區(qū)的高度和寬度。注意變換只對其后的一系列操作產(chǎn)生影響，如在此之前屏幕上已有圖形，則變換對其不產(chǎn)生影響。變換后如交換緩存，則可形成動畫，否則只在平面上作圖。

3.3 建立六自由度機(jī)器手模型

OpenGL提供對二維和三維圖形的基本操作，但是并不提供描述復(fù)雜幾何物體及建立復(fù)雜物體模型的手段，因而必須尋找自身的三維建模方法。對不太復(fù)雜的模型直接利用OpenGL的基本三維圖元（點(diǎn)、線、面）來構(gòu)造，既方便又快捷，易于對模型進(jìn)行操作和控制，缺點(diǎn)是建模的靈活度不大，不過對于建造本系統(tǒng)的三維模型已足夠[4]。

對實(shí)物進(jìn)行一定簡化后建立的模型是由一些圓柱體、長方體和球體組合而成。采用順序描述各個子體的方法來建立六自由度機(jī)器手模型。gluCylinder()用來繪制一個中空的二次柱面作為底座。gluDisk()用來繪制一個垂直于Z軸的圓盤。gluSphere()用來繪制一個球體作為關(guān)節(jié)。glRotatef()表示把當(dāng)前矩陣與一個表示旋轉(zhuǎn)的物體的矩陣相乘，以逆時針的方向繞著從原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的直線旋轉(zhuǎn)。參數(shù)Rotation指定了旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。glTranslatef()把當(dāng)前矩陣與一個表示移動物體的矩陣相乘，這個移動矩陣由函數(shù)的參數(shù)指定，經(jīng)過平移的矩陣成為當(dāng)前的變換矩陣。由于在OpenGL里描述下一個物體都是在前一個物體的基礎(chǔ)上，因此每次都需要對新坐標(biāo)中心進(jìn)行定位。例如當(dāng)創(chuàng)建好機(jī)器人手臂的第一段后，為了創(chuàng)建手臂的第二段，需要使用函數(shù)glTranslate()把局部坐標(biāo)系統(tǒng)移動到下一個節(jié)點(diǎn)。

模型的構(gòu)建過程采用分層結(jié)構(gòu)，即在相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中構(gòu)建各個模塊，這樣可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，使其能夠繞著各自的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。兩只機(jī)器手的三維圖形如圖3所示。

3.4 機(jī)器手可視化仿真

機(jī)器人仿真的研究已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)中一個引人矚目的領(lǐng)域，對于驗證機(jī)器人工作原理、工作空間及進(jìn)行運(yùn)動學(xué)研究等都具有非常重要的指導(dǎo)意義。而機(jī)器手作為機(jī)器人不可缺少的部分，對其進(jìn)行三維可視化仿真可以使研究者對機(jī)器人運(yùn)動方式有一個感性的認(rèn)識，可以幫助研究人員對機(jī)器人身體各個部分的位置關(guān)系建立正確的方程，可用于檢驗軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)則的正確性和合理性，可為離線編程技術(shù)的研究提供一種有效的驗證手段。顯然，采用可視化仿真技術(shù)的好處在于：

（1)從上位機(jī)的圖形上就可以看到機(jī)器手的運(yùn)動情況，增加了視覺效果；

（2)對于機(jī)器手在危險環(huán)境或者遠(yuǎn)距離工作，而人又無法到達(dá)現(xiàn)場時，采用此項技術(shù)的意義是明顯的，它可以保證人在上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控機(jī)器手的工作狀況，以便發(fā)出新的控制指令。

3.4.1實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器手仿真界面

在仿真界面上設(shè)置了機(jī)器手的觀察者位置、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)位置變換旋鈕，以及機(jī)器手爪子的分合選項，左右手控制選項，鏡頭距離拉近，退出選項。如圖4所示。

3.4.2 實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的動畫

為了實(shí)現(xiàn)平滑的動畫效果，OpenGL采用雙緩存技術(shù)，雙緩存是指位平面被分為前臺緩存（顯示緩存）和后臺緩存（內(nèi)存緩存）。后臺緩存計算場景、生成動畫，前臺緩存顯示后臺緩存已經(jīng)畫好的畫面。所以只有前臺緩存才被顯示。

因此當(dāng)完整的畫面在后臺緩存中畫出以后，就調(diào)用SwapBuffers()函數(shù)，使其成為為前臺可見。這樣循環(huán)往復(fù)，隱藏了畫圖的過程，視頻圖像可以在人眼覺察不到的時間間隔交替出現(xiàn)，于是看起來所有的畫面都是連續(xù)的。所以通過仿真界面可以控制機(jī)器手的運(yùn)動軌跡。

利用CVI 和OpenGL的接口以及OpenGL 在三維圖形中的卓越表現(xiàn)，建立了機(jī)器手的模型，設(shè)計了基于LabWindows/CVI 和OpenGL 的六自由度機(jī)器手三維仿真系統(tǒng)，能夠直觀、正確、快捷地模擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器手的運(yùn)動情況。作為進(jìn)一步的研究，在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行機(jī)器手視覺的仿真研究。