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器手的三維模型的新方法，并且利用OpenGL的雙緩存技術實現(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、正確地模擬機器手的運動情況，還能方便地進行機器手運動軌跡的仿真研究。

機器手三維建模仿真是機器人各項仿真中的一個重要組成部分，對于機器手的運動軌跡仿真有重要的指導意義。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 圖形標準，并且OpenGL編程類似于C 編程，實際接口就是C，相對基于Visual C++基礎類庫MFC 和OpenGL 開發(fā)的三維仿真平臺，在CVI 中利用可視化技術，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準，它實質(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。它可以對計算機圖形技術進行控制，產(chǎn)生逼真的圖像或者虛構(gòu)出現(xiàn)實世界沒有的圖像，是高性能圖形和交互式場景處理的工業(yè)標準[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行數(shù)學描述；

(2)把景物模型放在三維空間中合適的位置，并設置視點（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)進入，經(jīng)過一系列的運算處理，將幾何頂點數(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)三維仿真圖形的關鍵是如何配置CVI和OpenGL的圖形接口。

2.1 添加與OpenGL相關的頭文件和庫文件

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并添加到當前工程中。

2.2 設置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變換為屏幕上的像素坐標，最終使圖形在屏幕上顯示。

OpenGL坐標變換包括：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)在屏幕窗口坐標系中的左上角坐標，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雜幾何物體及建立復雜物體模型的手段，因而必須尋找自身的三維建模方法。對不太復雜的模型直接利用OpenGL的基本三維圖元（點、線、面）來構(gòu)造，既方便又快捷，易于對模型進行操作和控制，缺點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]。

對實物進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節(jié)。glRotatef()表示把當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到目標點的直線旋轉(zhuǎn)。參數(shù)Rotation指定了旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。glTranslatef()把當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上，因此每次都需要對新坐標中心進行定位。例如當創(chuàng)建好機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()把局部坐標系統(tǒng)移動到下一個節(jié)點。

模型的構(gòu)建過程采用分層結(jié)構(gòu)，即在相應的關節(jié)坐標系中構(gòu)建各個模塊，這樣可以實現(xiàn)獨立控制，使其能夠繞著各自的坐標軸旋轉(zhuǎn)。兩只機器手的三維圖形如圖3所示。

3.4 機器手可視化仿真

機器人仿真的研究已經(jīng)成為機器人學中一個引人矚目的領域，對于驗證機器人工作原理、工作空間及進行運動學研究等都具有非常重要的指導意義。而機器手作為機器人不可缺少的部分，對其進行三維可視化仿真可以使研究者對機器人運動方式有一個感性的認識，可以幫助研究人員對機器人身體各個部分的位置關系建立正確的方程，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的好處在于：

（1)從上位機的圖形上就可以看到機器手的運動情況，增加了視覺效果；

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

3.4.1實現(xiàn)控制機器手仿真界面

在仿真界面上設置了機器手的觀察者位置、肩關節(jié)、肘關節(jié)位置變換旋鈕，以及機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 實現(xiàn)機器手的動畫

為了實現(xiàn)平滑的動畫效果，OpenGL采用雙緩存技術，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，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器手的運動軌跡。

利用CVI 和OpenGL的接口以及OpenGL 在三維圖形中的卓越表現(xiàn)，建立了機器手的模型，設計了基于LabWindows/CVI 和OpenGL 的六自由度機器手三維仿真系統(tǒng)，能夠直觀、正確、快捷地模擬現(xiàn)實機器手的運動情況。作為進一步的研究，在此基礎上，可以進行機器手視覺的仿真研究。