化工仿真中位图图形学编程旋转变换研究

何杰 王大立

摘要：在化工仿真中，为了贴近真实，可以将实物图片贴于所绘化工单元设备、管道、框架、厂房等结构体表面。BMP图像可被用作纹理图。依据图像颜色点阵数据（WinHex），编写相关程序可对位图进行像素级编辑，实现如颜色拾取、图片移动、旋转、翻转、镜像、抠图等变换操作。作者编写了位图旋转变换操作程序 （Visual C++，OpenGL），为将计算机图形学编程用于化工仿真、虚拟现实进行了应用基础研究;在程序for循环主代码中，用“fread（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， fp）;”读数据，用“fwrite（&pixVal， sizeof（BYTE）， 1， pFile）;”写数据。其基本操作过程与手工刺绣或搭积木类似。让计算机程序组织那些像素点“对号入座”，有秩序地从原图像素网格中取出一个个像素单元格，再有秩序地放入变换后图像像素网格中，实现预想像素级图像变换操作。

关键词：图形学编程;位图旋转;像素读写;位图;化工仿真;虚拟现实

中图分类号：TN919.8     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）25-0004-03

在化工设计中，常用制图软件是AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS， SketchUp等。这些软件基本共同使用方法是主要通过操作鼠标、键盘直接在电脑屏幕上绘制出各种图元，即点、线、面、体，再排列、组合，得到特定组合结构、形体、场景，所见即所得。另一区别制图方法是，编写、运行计算机制图程序，生成目标图形、场景。两者各有优劣。在虚拟现实中，需要展现真实感图形、场景、实现人机交互、动画、视图旋转、漫游、科学计算可视化、仿真实验等，后者对这些提供了可能，而且实现起来便捷、高效，程序运行流畅、稳定[1-6]。它在虚拟现实、化工仿真中独树一帜，不容小觑。可它目前并不为化工专业人员所普遍知晓，也很少被使用。

纹理映射允许把一个现实场景图贴于3D结构体表面，更逼真，在虚拟现实（VR）场景模拟中作用突出。使用OpenGL （Open Graphics Library） 编程接口，能够增强三维场景真实性。OpenGL提供了位图操作函数。它是被用于渲染2D、3D矢量图形、跨语言、跨平台的应用程序编程接口。实现用C++结合OpenGL制作出一个虚拟化工厂，类似使用AutoCAD Plant 3D，可以考慮先用C++结合OpenGL绘制出化工3D图形结构单元。然而，相比一般3D建模软件，OpenGL并非卓尔不群，自成一格。将OpenGL与一般3D建模软件结合起来，相辅相成，更行之有效。柳暗花明又一村，原来，由于OpenGL是图形底层图形库，没有提供几何实体图元，不能被直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地提取出自AutoCAD， 3DS MAX， SOLIDWORKS等的DXF， 3DS， OBJ， STL模型文件OpenGL顶点数组，进而对其再处理[7-9]。

宋叶未等[10]对BMP格式位图文件结构和内容进行了详细分析，给出了一种通用、易于移植的BMP格式位图文件显示算法。尹航等[11]讨论了在VS2005环境下借助OpenGL和第三方库CxImage，利用PNG图片进行纹理映射。CxImage类库是一个优秀图像操作类库，可以被用来快捷存取、显示、转换各种图像。薛兆井等[12]研究了基于OpenGL读取bmp图像实现纹理映射的一种新方法。韩姣[13]探讨了在VC++环境下BMP与GIF图像文件格式转换，编程实现了BMP图像读取、显示和保存等相关操作。本文作者用C++结合OpenGL编写了计算机程序，实现了位图旋转变换操作。

1 Bitmap-File解析

BMP文件由文件头 （bitmap-file header）、信息头 （bitmap-information header）、彩色表 （color table） 和位图数据 （bitmap data） 四部分组成。如图1a所示，点 （0，0） 和点 （514，0） 在其图像数据表中对应No. 267289 pixel， No. 267803 pixel。其间点数是（267803-267289）+1=515 points，与例图宽515 pixels吻合。在图像数据表末，自左向右“F6 F6F6”分别表示该像素颜色BGR值，对应原图10进制RGB分量， “246 246 246”，一致。如图1b所示，随意指定原图中一点 （45，194），检索到该点在图像数据表中相应位置。

2 4 Bytes对齐问题

BMP文件有个重要特性是对于图像数据区域，位图每一行像素所占Byte数必须被4整除，否则，在该位图每一行16进制码末尾补1至3 Bytes “00”。“补零”只针对位图宽检验。要行补位是因为32位Windows操作系统4-Bytes （32位） 处理速度较快。一个扫描行所占Byte数：（biwidth*biBitCount/8+3）/4*4或（biWidth*biBitCount+31）/32*4或（（width*biBitCount+31） >> 5）<< 2。其中，如图1，其每行数据大小为515 pixels×3 Bytes/pixel = 1545 Bytes，不能被4整除，用“000000”补全，变为1548 Bytes （（515*24+31）/32*4=1548）。第515列为行补位列。同样，VC++程序读入BMP图像，必须把每行Byte数转换为4整数倍 （即以long为单位）。

biWidth 图像宽度，以pixel为单位。

biBitCount bits/pixel

biWidth*biBitCount 一行所占位数