三维形状可视化技术
OpenGL(Open Graphics Libaray)是SGI公司为其图形工作站开发的图形开发系统，可以独立于窗口操作和硬件环境。其目的是将用户从特定的硬件和操作系统中解放出来。有了这个系统，你不需要了解这些系统的结构和指令系统，但你可以用指定的格式编写应用程序，并在任何支持该语言的硬件平台上执行。由于OpenGL的高度可重用性，数十家大公司已经接受OpenGL作为标准的软件接口。目前加入OpenGL ARB(OpenGL架构评审委员会)的成员有SGI、HP、微软、Intel、IBM、SUN、DEC、AT & amp；t公司的Unix软件实验室等。在该组织的努力下，OpenGL已成为高性能图形和交互式视觉处理的工业标准，可应用于Windows95/98、Windows NT、Windows 2K、Macos、Beos、OS/2和Unix。OpenGL的本质是作为图形硬件的软件接口，是一组立体的API函数。
1的主要功能。OpenGL
(1)建模。不仅有简单的点、线、面，还有对三维物体(球、圆锥体等)的复杂绘图功能。)和复杂的曲线曲面(贝塞尔、Nurbs等。).
(2)转型。主要包括基本变换(平移、旋转等。)和投影变换(平行和透视投影等。).
(3)颜色模式设置。RGBA模式，ColorIndex颜色指数。
(4)灯光和材质设置。OpenGL光包括辐射光、环境光、漫反射光和镜面光；材质用光的反射率来表示。场景中的物体最终反射到人眼的颜色是由光线的RGB分量和材质的RGB分量叠加而成的。
(5)纹理映射。主要表现物体表面的细节。
(6)位图显示和图像增强。除了基本的复制和图像像素读写，image功能还提供了混合、抗锯齿和雾化等特殊的图像处理效果。
(7)双缓冲动画。双缓冲是指前台缓冲和后台缓冲。背景计算场景并生成图片，前景在背景显示计算出的图片。
(8)交互技术。它主要提供了三种工作模式:绘制模式、选择模式和反馈模式。绘制模式完成场景的绘制，借助物体的几何参数和运动控制参数、场景的观察参数、光照参数和材质参数、纹理参数、OpenGL函数的许多常量控制参数、时间参数和窗口对话框、菜单以及外部设备，可以形成实时交互的程序系统。在选择模式下，您可以命名对象，选择命名对象并控制命名对象的绘制。反馈模式为程序设计提供程序运行的信息，也可以反馈给用户，告诉用户程序的运行状态，监控程序的运行过程。
(9)其他。使用OpenGL还可以实现深度提示和运动模糊等特殊效果。
2.2的基本原则。OpenGL
OpenGL是硬件生成器的软件接口。它的主要目的是将2D和3D对象绘制到一个帧缓冲区中，该缓冲区包括数百个图形函数。开发者主要利用这些功能建立3D模型，进行3D实时交互。
(1)基本操作和指令。OpenGL可以从多种可选模式中绘制图元，一种模式的设置一般不会影响其他模式的设置。无论黑墨水是如何出现的，指令总是按顺序处理的，也就是说，一个图元必须绘制完整，之后的图元才能影响帧存储。
(2)图形控制。OpenGL提供了变换矩阵、光照、反走样方法、像素操作等参数来控制二维和三维图形的绘制。它不提供描述或构建复杂几何对象的方法。OpenGL提供了如何绘制复杂对象的机制，而不是描述复杂对象本身的综合工具。也就是说，OpenGL是程序性的，而不是描述性的。
(3)执行方式。OpenGL命令的解释模式是客户机/服务器模式，即命令由客户机发出，由OpenGL服务器(解释器)处理，可以运行在同一台或不同的计算机上。基于此，OpenGL是网络透明的。
地下水三维可视化系统的开发与应用
3.3的命令语法和状态。OpenGL
基于OpenGL标准开发的微机应用程序必须在32位Windows平台下，如Windows98/NT环境下，运行需要的动态链接库有OpenGL32.DLL和Glu32.DLL。OpenGL包含100多个库函数，按照一定的格式命名。
(1)有115个核心函数，每个函数都以gl开头。这些功能是最基本的，可以在任何工作平台上运行。这些功能可以创建二维和三维几何体，设置视点，建立视觉体，设置颜色和材质，创建灯光，执行纹理映射，抗锯齿，处理融合，雾场景等。它们可以接受不同的参数，因此可以派生出300多个函数。
(2)有43个2)以glu开头的OpenGL实用库函数。这些函数基于OpenGL核心函数，主要是提供辅助函数的支持，执行核心OpenGL函数的交互，所以是比核心函数更高的函数，更通用。它可以运行在任何OpenGL平台上。
(3)辅助库函数，***31。从aux开始，它们是一类特殊的OpenGL函数，用来帮助初学者尽快进入OpenGL编程，做简单的练习。因此，它不能在所有平台上运行。但是Windows98/NT支持它们。
(4)Windows特有的库函数，从wgl开始。它主要与OpenGL和Windows窗口系统连接，可以用来管理着色描述表和显示列表，扩展功能，管理字体位图等。
(5)Win32 API函数，***6，用于处理像素格式和缓冲。
(6)OpenGL结构，***4。
4.OpenGL图形操作步骤
步骤1:设置像素格式:主要包括建立OpenGL绘制风格、颜色模式、颜色位数、深度位数等。
步骤2，建立模型:建立三维模型；
第三步:舞台布景:如何将场景放置在三维空间中合适的位置，并设置三维透视视觉体来观察场景；
第四步:效果处理:设置物体的材质(颜色、光学性能和纹理贴图等。)并增加光照和光照条件；
第五步:栅格化:将场景及其颜色信息转化为可以在计算机上显示的像素信息。
(2)虚拟现实建模语言
1介绍。虚拟现实建模语言
VRML是英文虚拟现实建模语言的缩写。它的原名是虚拟现实化妆语言。这个名字是由Tim Berners Lee和Dave Raggett在第一届WWW(1994，日内瓦)上组织的一个名为Bird-of-Feather(BOF)的小组提出的。后来化妆改成了造型。VRML和HTML紧密相连，是HTML在3D领域的模拟和延伸。因为VRML在互联网上有很好的仿真性和交互性，所以显示出了强大的生命力。
VRML是一种3D交换格式，它定义了当今3D应用中最常见的概念，如变换级别、光源、视点、几何、动画、雾、材质属性和纹理映射。VRML的基本目标是确保它能够成为一种有效的3D文件交换格式。
VRML是HTML的3D模型。它为万维网带来了交互式3D能力，即VRML是一种跨平台的语言，可以发布3D网页。事实上，3D提供了一种更自然的体验方式，如游戏、工程和科学可视化、教育和建筑。对于像这样的典型项目，仅仅依靠基于网页的文本和图像是不够的，而是要增强交互性、动态效果的连续性和用户参与探索的能力，这是VRML的目标。
VRML提供的技术可以将3D、2D、文本和多媒体集成为一个统一的整体。当这些媒体类型与脚本语言和互联网的功能相结合时，就有可能产生一种全新的交互式应用。VRML不仅支持经典的二维桌面模型，还将其扩展到更广阔的时空背景。
VRML是网络空间的基础。网络空间的概念是由科幻作家威廉·吉布森提出的。虽然VRML没有定义真实用户模拟所必需的网络和数据库协议，但是我们应该看到VRML的快速发展。作为一个标准，它必须是简单的和可实现的，在这个前提下，它必须鼓励前沿的实验和扩展。
2.2.VRML的基本工作原理和特点。
(1)用文本信息描述3D场景。在互联网上传输，在本地机器上通过VRML浏览器解释生成3D场景。解释产生的标准规范是VRML规范。正是这种基于VRML的工作机制，使得在网络应用中快速发展成为可能。一开始，VRML的设计者考虑到文本描述信息在网络上的传输速度比图形文件快，所以他们避免直接在网络上传输图形文件，而是传输图形文件的文本描述信息，将复杂的处理任务交给本地计算机，从而减轻网络的负荷。
(2)统一与分离相结合。VRML的访问方式是基于C/S模式，服务器提供VRML文件，客户端通过网络下载自己想要访问的文件，在本地平台上通过浏览器访问文件描述的VR世界，即VRML文件包含了VR世界的逻辑结构信息，浏览器根据这些信息实现了很多VR功能。这种由服务器提供统一描述信息，客户端建立自己的VR世界的访问模式，被称为统分结合模式，这也是VRML的基本概念。由于浏览器由本地平台提供，实现了VR的平台无关性。
(3)基于ASCII码的低带宽可行性。VRML和HTML一样，使用ASCII文本格式描述世界和链接，保证了在各种平台上的通用性，减少了数据量，因此在低带宽网络上也可以实现。
(4)实时三维渲染引擎。传统VR中使用的实时3D着色引擎在VRML中得到更好的体现。这个特性把VR建模和实时访问更清晰的分开了，这也是VR和3D建模、动画的区别。后者是预着色的，所以不能提供交互性。VRML提供6+1自由度，即三个方向的移动和旋转，与其他3D空间锚定。
(5)扩展性。作为一个标准，VRML不能满足所有应用的需求。有些应用希望交互性更强，有些希望画质更高，有些希望VR世界更复杂。这些需求往往同时受到彼此和用户平台硬件性能的制约，所以VRML是可扩展的，即可以根据需要定义自己的对象及其属性，并通过Java语言等手段让浏览器解释这类对象及其行为。
(3) X3D
X3D (Extensible 3D-Extensible 3D)是一个软件标准，它定义了如何在多媒体中集成基于网络通信的交互式3D内容。X3D可以用于不同的硬件设备和不同的应用领域。例如，工程设计、科学可视化、多媒体再现、娱乐、教育、网页以及享受虚拟世界。X3D还致力于建立3D图形和多媒体之间的统一交换格式。X3D是对VRML的继承。VRML(虚拟现实建模语言)是网络三维图形的原始ISO标准(ISO/IEC 14772)。X3D与VRML相比有所改进，提供了以下新特性:更高级的应用程序接口、新增加的数据编码格式、严格的一致性、组件结构(用于允许模块化以支持标准的各个部分)。
1.X3D设计目标
X3D确立了以下设计目标:
(1)数据编码和运行时结构分离；
(2)支持大量数据编码格式，包括XML(可扩展标记语言)；
(3)添加新的绘图对象、行为对象和交互对象；
(4)为3D场景提供可选的应用程序接口(API );
(5)定义规格“简档”的子集以满足不同的市场需求；
(6) X3D规范可以在不同级别的服务中实现(1 evels)；
(7)尽可能在完善的规范中加入行为的定义或描述。
2.X3D特征
为了满足工程设计、科学可视化、多媒体再现、娱乐、教育、网页以及享受虚拟世界的需求，X3D增加了以下新功能:
(1)3D图形:多边形几何、参数化几何、变换层次、光照、材质、多通道/多进程纹理贴图；
(2)2D图形:在三维变换层次中显示文本、2D矢量和平面图形；
(3)动画:定时器和插补器驱动的连续动画；人性化的动画和变形；
(4)空间音视频:在场景几何上映射音视频源；
(5)用户交互:基于鼠标的选择和拖动；键盘输入；
(6)导航:摄像头；用户在3D场景中的运动；碰撞、接近和能见度探测；
(7)自定义对象:通过创建自定义数据类型，可以扩展浏览器的功能；
(8)脚本:通过程序或脚本语言，可以动态改变场景；
(9)网络:单个X3D场景可以由网络上的资源组成；可以通过超链接对象连接到网络上的其他场景或其他资源；
(10)物理仿真:人性化动画；地理数据集；分布交互仿真的协议集成。
Java 3D
Java 3D以自己定义的场景图和观察模式构建3D的上层结构，实现3D技术在Java平台上的使用。Java 3D API是Sun为3D显示定义的接口。3D技术是底层显示技术，Java 3D提供基于Java的上层接口。Java 3D在Java接口中包装了OpenGL和DirectX。这种全新的设计使3D技术不再繁琐，可以添加到J2SE和J2EE的整个建筑中。这些特点保证了Java 3D技术强大的扩展性。Java 3D基于Java2(Java1.2)，Java语言的简洁使得Java 3D的普及成为可能。Java 3D是在OpenGL的基础上开发的，可以说是Java语言在三维图形领域的延伸。其本质是一套API，即应用程序接口。利用Java 3D提供的API，可以编写一些3D动画、远程3D教学软件、3D辅助设计分析仿真软件、3D游戏等。它实现了以下三维功能:
(1)生成简单或复杂的形状(现有的3D形状也可以调用)；
(2)使形状具有色彩、透明度和质感；
(3)在三维环境中生成和移动光；
(4)处理和判断行为(键盘、鼠标、计时等)的能力。);
(5)生成雾、背景和声音；
(6)变形、移动并生成三维动画；
(7)为VR(虚拟现实)等各种领域编写非常复杂的应用程序。
1的数据结构。Java 3D
Java 3D的数据结构和OpenGL一样，采用场景图的数据结构，但是Java 3D是基于Java语言的特点。Java 3D的场景图是DAG(有向无环图)，其特点是方向不对称。Java 3D的场景图直接从Java 3D的运行环境转换成具有三维显示效果的显存数据，从而在计算机上显示三维效果，并在显存中不断接收Java 3D的最新运行结果，从而生成三维动画。
2.Java 3D中的类(API)
Java 3D是在OpenGL的3D图形库和VRML的基础上开发的API，几乎包含了编写Java交互式3D应用所需的所有最基本的类(类方法)和接口。主要存储在包Javax.media.j3d中，这些都是Java 3D的核心类。此外，还有一个应用类型包(Utility package)com . sun . j3d . utils(必不可少，主要是大大提高编程效率)。除了核心类和实用程序包之外，还有:
(1)Java.awt(主要定义一个窗口进行显示)；
(2)Javax.vecmath(主要处理定义的向量计算使用的类，以及以后的核心类)；
(3)3)Java 3D的类根据功能可以分为Node和NodeComponent，其中Node又分为Group和Leaf两个子类。
(5) IDL
1简介。国际日期变更线
IDL(Interactive Data Language)是美国RSI公司的产品，集可视化、交互分析和大型商业开发于一体，为用户提供了一个完善、灵活、有效的开发环境。IDL的主要功能包括:
(1)高级图像处理、交互式2D和3D图形技术、面向对象编程模式、OpenGL图形加速、跨平台图形用户界面工具包、兼容ODBC的数据库连接和各种程序连接工具。
(2)IDL完全面向矩阵，因此具有处理大规模数据的能力。IDL可以读取或输出格式化或未格式化的数据类型，支持通用文本和图像数据，支持美国国家航空航天局、TPT、NOAA等机构广泛使用的HDF、CDF、netCDF等科学数据格式，以及医学扫描设备的标准格式DICOM格式。IDL还支持字符、字节、16位整数、长整数、浮点、双精度、复数等多种数据类型。能够处理大于2Gb的数据文件。IDL采用OpenGL技术，支持OpenGL软件或硬件加速，可以加速交互式2D和3D数据分析、图像处理和可视化。可以实现表面的旋转和飞行；用多个光源遮光或照明；能观察体积内部的复杂细节；一旦创建了一个对象，就可以从不同的角度对其进行可视化分析。
(3)IDL有图像处理软件包，如感兴趣区域(ROI)分析和一套图像分析工具，地图投影和变换软件包，适用于GIS的开发。
(4)IDL拥有数学分析和统计软件包，提供科学的计算模型。它可用于曲线和曲面拟合分析、多维网格划分和插值、线性和非线性系统分析等。
(5) IDL DataMiner可以快速访问、查询和管理ODBC兼容的数据库，支持Oracle、Informix、Sybase、MS SQL等数据库。您可以创建、删除、查询表并执行任意SQL命令。
(6)IDL可以通过ActiveX控件将IDL应用程序开发集成到COM兼容的环境中。使用Vi-sual Basic，Visual C++访问IDL，也可以从IDL调用C，Fortran程序或者通过动态链接库从其他语言调用IDL。
(7)使用IDL GUIBuilder，可以开发跨平台的用户图形界面(GUI)，用户可以通过拖拽GUI灵活快速地创建应用程序的界面。
(8)IDL为用户提供了一些可视化的数据分析解决方案。早在1982年，美国国家航空航天局的火星飞越飞行器的开发就使用了IDL软件。
2.编程模式为2。国际日期变更线
IDL有两种编程方法。一种是使用IDL平台的GUIBuilder进行编程，特点是所见即所得，使用IDL本身的控件进行编程和界面设置，但是不够灵活。另一种是IDL平台集成开发环境的组件编程技术，其特点是灵活性强，功能强大，可以根据程序员的意愿进行设置。此外，IDL中还有批处理文件语句，即在命令行中直接输入命令语句来读取和输出数据，以及设置和处理属性。另外，IDL提供了IDLDRAW小部件控件，可以基于COM技术开发。
3.3的应用领域。国际日期变更线
由于其强大的功能和独特的特点，IDL语言可以应用于地球科学(包括气象、水文、海洋、土壤、地质、地下水等)的许多领域。)、医学影像、图像处理、GIS系统、软件开发、大学教学、实验室、测试技术、天文学、航空航天、信号处理、国防工程、数理统计与分析、环境工程等。IDL语言可以被广泛使用。目前使用IDL语言，已经开发出ENVI、IMAGIS、RiverTools、medicine等成熟产品。还有很多具体的应用实例，如澳大利亚2000年悉尼奥运会的综合预报系统，美国国家环境卫星数据与信息服务中心的厄尔尼诺现象分析。
北京勘测设计研究院利用IDL语言开发了真三维地质分析系统AutoDig，可以直接实现简单地质数据或其他层次数据的科学完整三维建模。同时还提供了真三维显示功能，不仅可以任意旋转、放大、缩小三维体，还可以实现交互式真三维切割功能。
(6)总结
三维图形技术是随着计算机软硬件技术的发展而发展变化的，其鼻祖是SGI公司推出的OpenGL三维图形库。OpenGL是业界最流行、支持最广泛的底层3D技术，几乎所有的显卡厂商都在底层支持和优化了OpenGL。OpenGL还定义了一系列用于编程3D应用的接口，但这些接口都是用C(C++)语言实现的，非常复杂。掌握OpenGL的编程技术需要花费大量的时间和精力。
Java 3D是在OpenGL的基础上开发的，可以说是Java语言在三维图形领域的延伸。其本质是一套API，即应用程序接口。
Direct3D是微软推出的三维图形编程API，主要用于三维游戏的编程。很多优秀的3D游戏都是通过这个接口实现的。和OpenGL一样，Direct3D的实现主要使用C++语言。
VRML2.0(VRML97)从1997到12正式成为国际标准后，在互联网上得到广泛应用。它是一种比BASIC和JAVASCRIPT更简单的语言。现在已经发展到X3D了。脚本化的句子可以用来写三维漫画、三维游戏和计算机辅助三维教学。它最大的优点是可以嵌入网页显示。
美国RSI公司最新开发的可视化软件IDL(Interactive Data Language)是数据分析、可视化和跨平台应用开发的良好选择。它集可视化、交互分析和大型商业开发于一体，为用户提供了一个完善、灵活、有效的开发环境。3D技术对比见表1-2。
表1-2 3D技术对比