基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)——動(dòng)態(tài)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)控制和特效畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)控制和特效畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照

2、學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 設(shè)計(jì)論文 畢業(yè) 任務(wù)書(shū)一、題目基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)控制和特效二、指導(dǎo)思想和目的要求綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)技術(shù)知識(shí)，研究學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)資源，分析并解決項(xiàng)目中遇到的各種問(wèn)題，通過(guò)對(duì)基于三維動(dòng)畫(huà)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，學(xué)習(xí)和掌握如何利用OpenGL進(jìn)行三維仿真。三、主要技術(shù)指標(biāo)1. 研究基

3、于OpenGL的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行及導(dǎo)彈飛行實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。2. 研究OpenGL的紋理映射技術(shù)，利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中場(chǎng)景和物體的貼圖。3. 研究基于粒子系統(tǒng)的特殊效果從而對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)繪制。四、進(jìn)度和要求知識(shí)準(zhǔn)備階段 11月26日2月1日 了解國(guó)內(nèi)外多方面資料。實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)階段 2月2日 3月1日 開(kāi)始進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)并考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題。完成設(shè)計(jì)階段 3月2日4月7日 完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。編碼階段 4月8日5月7日 完成相應(yīng)的編碼并開(kāi)始準(zhǔn)備測(cè)試。測(cè)試階段 5月8日5月30日 進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。五、主要參考書(shū)及參考資料【1】 曾建超，俞志和. 虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京：清華大學(xué)出

4、版社，1996. 5-88.【2】 汪成為，高文，王行仁. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用M. 北京: 清華大學(xué)出版社，1996. 25-108.【3】 康風(fēng)舉. 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用M. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001. 200-210.【4】 Whitechen. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀R. 編號(hào)5413， 北京: BBS水木清華站， 2003.【5】 汪成為. 靈境技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用M. 北京：清華大學(xué)出版社，1996. 100-120.【6】 于維平,朱一凡,等. 多媒體仿真研究與發(fā)展J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1997， 9: 10-20.【7】 王乘,周均清,等. Creator可視化

5、仿真建模技術(shù)M. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2005. 6-8.【8】 武裕國(guó),杜瑩. 利用C+模板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的粒子系統(tǒng)A. 第四屆全國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化學(xué)術(shù)會(huì)義論文集C. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2004. 637-638.【9】 Michael E Goss. Motion Simulation-A Real Time Particle System for Display of Ship WaresJ .IEEE Computer Graphics & Applications， 1990，1: 30-35P.【10】 Unbescheiden M, Trembilski .A Clo

6、ud EnvironmentsJ.IEEE Visualization Proceedings Simulation， 1998， 1: 98-104P.【11】 Szeliski Richard,Tonnesen David. Surface modeling with oriented particle systemsJ.Computer Graphics， 1992， 26(4): 185-194P.學(xué)生 _ 指導(dǎo)教師 _ 系主任 _44目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概況11.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及起源11.1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)11.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技

7、術(shù)的應(yīng)用41.2虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2.1虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的發(fā)展41.2.2虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3問(wèn)題的提出6第2章 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想82.1虛擬場(chǎng)景仿真軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)82.1.1模型系統(tǒng)82.1.2坐標(biāo)系統(tǒng)92.1.3背景系統(tǒng)112.1.4特效系統(tǒng)112.1.5控制系統(tǒng)112.2虛擬場(chǎng)景仿真軟件的設(shè)計(jì)流程122.3仿真軟件實(shí)施方案論證132.3.1仿真軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇132.3.2采取的研究方法和技術(shù)路線142.3.3三維物體幾何建模技術(shù)和工具的選擇152.4虛擬場(chǎng)景仿真軟件的總體概述162.4.1虛擬場(chǎng)景仿真軟件的兩種工作方式1

8、62.4.2虛擬場(chǎng)景仿真軟件的表現(xiàn)方法172.5 本章小結(jié)18第3章 基于粒子系統(tǒng)的模糊景物的模擬193.1粒子系統(tǒng)的基本原理193.2粒子系統(tǒng)隨機(jī)范圍的設(shè)置203.3 粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)213.4飛機(jī)尾焰仿真223.4.1飛機(jī)尾焰的粒子系統(tǒng)模型223.4.2用OpenGL表現(xiàn)尾焰特效243.4.3仿真結(jié)果及結(jié)論25第4章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及調(diào)試274.1軟件的使用界面274.2軟件的運(yùn)行環(huán)境284.3軟件調(diào)試28第5章 總結(jié)與展望335.1本文的主要工作總結(jié)335.2后續(xù)工作展望34致 謝35參考文獻(xiàn)36畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)37附錄38摘 要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一個(gè)重要的分支，它剛興起就表現(xiàn)出極其迅

9、猛的發(fā)展勢(shì)頭，在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造、數(shù)字化城市、虛擬建筑、教育與培訓(xùn)、展覽及娛樂(lè)等方面都將發(fā)揮重要的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中場(chǎng)景(虛擬場(chǎng)景)的建模始終是研究的核心問(wèn)題，也是需要首先解決的問(wèn)題，現(xiàn)在世界范圍內(nèi)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決主要有兩種方法:基于圖形(幾何)的建模與繪制方法(GBMR)和基于圖像的建模與繪制方法(IBMR)，此兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本論文緊緊圍繞當(dāng)今熱門的虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)進(jìn)行了研究。重點(diǎn)研究了基于圖形和基于圖像的建模和繪制技術(shù)，以及場(chǎng)景的取景變換、光照、消隱、和紋理映射等真實(shí)感增強(qiáng)技術(shù)。本文主要研究工作及所取得的研究成果如下:1. 基于OpenGL的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)飛機(jī)飛行及其

10、導(dǎo)彈飛行實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，實(shí)時(shí)顯示飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和飛行場(chǎng)面，較好的反映了仿真的效果。2. 設(shè)計(jì)了基于粒子系統(tǒng)的特殊效果，把粒子系統(tǒng)的行為模型和幾何模型統(tǒng)一起來(lái)，對(duì)粒子系統(tǒng)的屬性及隨機(jī)性作了理論性的分析研究，并對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)繪制。3. 對(duì)OpenGL的紋理映射技術(shù)及原理進(jìn)行闡述，并摸索出一套合理的紋理映射方法，在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)紋理的管理。利用紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中場(chǎng)景和物體的貼圖。關(guān)鍵詞 虛擬場(chǎng)景圖， OpenGL紋理映射， 粒子系統(tǒng)， GBMR， IBMRABSTRACTThe Virtual Reality (VR) technology is a very impor

11、tant branch among computer science，it had expressed rapid increase growing tendency as soon as came forth，and it would play an important role in industry & manufacture， digital city，virtual building，training & education，exhibits and entertainment and so on. Modeling and rendering for virtual scene (

12、Virtual Environment) is always the kernel problem in VR， and the problem must be solved at first. Nowadays， there are two methods to solve the problem: Graphics (Geometry) Based Modeling and Rendering (GBMR)，Image Based Modeling and Rendering (IBMR)，the existing two kinds of methods are provided wit

13、h their own advantage and disadvantage.This paper had researched the fashion modeling technology of VE. My research focus on GBMR & IBMR，VE realism increasing technology as coordinate transforming，lighting & shading，hidden surface removal，and texture mapping etc. Its main research work and results a

14、re as follows:1. The virtual scene simulation platform is a software development environment based on OpenGL; it shows the plane fly and the missile tracing. 2. Detailed analyzed the attribute and the realized process of particle system，had made theoretically the analysis to the randomness of the pa

15、rticle system，unified the particle system behavior model and the geometry model, and had realized the dynamic environment (rain， snow， mist and dust and so on)modeling by using the particle granule system.3. Demonstrated the technology and theory of the texture mapping， established a reasonable meth

16、od of texture mapping，and realized the management of texture in use. Utilized the technology to realize the texture mapping of the scene and object in the virtual scene.Key words Virtual Scene graph， OpenGL Texture mapping， Particle system， GBMR， IBMR第1章 緒論1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概況1.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及起源虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Rea

17、lity，簡(jiǎn)稱VR)，是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP會(huì)議上的報(bào)告，而Virtual Reality一詞是80年代初美國(guó)VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier提出來(lái)的。VR系統(tǒng)在若干領(lǐng)域的成功應(yīng)用，導(dǎo)致了它在90年代的興起。虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)晶和反映，不僅包括圖形學(xué)、

18、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計(jì)算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等相關(guān)1。1.1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽(tīng)、動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從概念上講，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備，用戶可根據(jù)自身的感覺(jué)，使用人的自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察和操作，參與其中的事件;同時(shí)提供視、聽(tīng)、觸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中。脫離不同的應(yīng)用背景，VR技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計(jì)

19、算機(jī)數(shù)據(jù)空間表示為直觀的、用戶熟悉的事物。其技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級(jí)的人與計(jì)算機(jī)交互的接口。VR具有三個(gè)最突出的特征，即三“I”，特征可以由此來(lái)區(qū)分相鄰技術(shù)，如多媒體技術(shù)、科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)。這三個(gè)特征是交互性(Interaction)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)。如圖1.1表示出了三者的關(guān)系。 圖1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的三角形表示沉浸感是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境能使“參與者”得到全身心置于該環(huán)境之中的體驗(yàn)。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度(例如可視場(chǎng)景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化)，甚至超越真實(shí)，如實(shí)現(xiàn)比

20、現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果等。交互性是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)，使參與者通過(guò)使用專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)用人類自然技能對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互考察與操作。因此，VR技術(shù)將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。例如，用戶可以用手直接抓取虛擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有觸摸感，并可以感覺(jué)物體的重量，場(chǎng)景中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。想象力是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋求解答，形成新的概念。由于VR并不只是一種媒介或一個(gè)高級(jí)終端用戶界面，它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題，這些應(yīng)用是

21、VR與設(shè)計(jì)者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的。這極大地依賴于人類的想象力。VR的最主要的技術(shù)特征是沉浸感，即投入感。VR的追求目標(biāo)是力圖使用戶在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺(jué)狀態(tài)，有身臨其境的感覺(jué)，即所謂“沉浸感”。在該環(huán)境中的一切看上去是真的、聽(tīng)起來(lái)是真的、動(dòng)起來(lái)也是真的，一切感覺(jué)逼真。用戶覺(jué)得自己是虛擬環(huán)境中的一個(gè)部分，而不是旁觀者。他感到被虛擬景物所包圍，可以在這一環(huán)境中自由走動(dòng)，與物體相互作用，如同在已有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)世界中一樣。導(dǎo)致“沉浸感”，其原因是用戶對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對(duì)現(xiàn)實(shí)物體的存在意識(shí)或幻覺(jué).為此，必須具備三種基本的技術(shù)要素：1. 圖像(

22、Imagery)虛擬物體要有三維結(jié)構(gòu)的顯示，其中包括主要由以雙目視差、運(yùn)動(dòng)視差提供的深度信息，圖像顯示要有足夠大的視場(chǎng)，造成在圖像世界內(nèi)觀察;而不是窗口觀察的感覺(jué)；顯示畫(huà)面符合觀察者當(dāng)前的視點(diǎn)，能跟隨視線變化;物體圖像能得到不同層次的細(xì)節(jié)審視。2. 交互(Interaction)虛擬物體與用戶間的交互是三維的，用戶是交互的主體:用戶能覺(jué)得自己是在虛擬環(huán)境中參與對(duì)物體的控制。交互是多感知的，用戶可以使用與現(xiàn)實(shí)生活不同的方式(例如手語(yǔ))與虛擬物體交互。3. 行為(Behavior)虛擬物體在獨(dú)自活動(dòng)時(shí)、或相互作用時(shí)、或在與用戶的交互作用中，其動(dòng)態(tài)都要有一定的表現(xiàn)，這些表現(xiàn)或者服從于自然規(guī)律，或者遵

23、循設(shè)計(jì)者想象的規(guī)律，這也稱之為VR系統(tǒng)的自主性(autonomy)。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。如當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)、翻倒或從桌面落到地面等等。上述技術(shù)要素之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們對(duì)于用戶的“存在”意識(shí)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致“沉浸感”的過(guò)程實(shí)際上是基于人的認(rèn)知機(jī)理，因此可以說(shuō)心理學(xué)是虛擬現(xiàn)實(shí)的物理學(xué)。VR的“沉浸感”特征使它與一般的交互式三維計(jì)算機(jī)圖形有較大的不同:用戶可以沉浸于數(shù)據(jù)空間，可以從數(shù)據(jù)空間向外觀察，從而可以使用戶能以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互。利用沉浸功能，使用戶暫時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離，投入到虛擬環(huán)境中，從而能更真實(shí)地注視數(shù)據(jù)。VR界面也可以給技術(shù)

24、人員及創(chuàng)作人員提供真實(shí)數(shù)據(jù)，以便正確地創(chuàng)建虛擬環(huán)境，這樣有助于用戶更快、更全面地分析理解數(shù)據(jù)。因此，VR技術(shù)從根本上改變了人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。1.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用VR【2】可以應(yīng)用在商業(yè)上，創(chuàng)建虛擬商店、虛擬房地產(chǎn)漫游、建筑物可視化、虛擬旅游景點(diǎn)漫游、虛擬博物館等。例如日本就出現(xiàn)了可以幫助顧客買房、購(gòu)房的虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買的設(shè)備和餐具安置在廚房的相應(yīng)地方，看看是否合適，雖然認(rèn)識(shí)到這一切都是虛擬的，但還是會(huì)被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會(huì)全身心的投入進(jìn)去，并且最終買走了自己稱心的商品。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段

25、，目前己被廣泛應(yīng)用在軍事教學(xué)、體育訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)中，對(duì)于第一次走上手術(shù)臺(tái)的醫(yī)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，他們可以在顯示器上一遍一遍的模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案，這種模擬器顯示的人體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到亂真的程度。在航天領(lǐng)域，VR技術(shù)也大有用武之地。例如，失重是航天技術(shù)中的一個(gè)必須克服的困難，因?yàn)樵谑е厍闆r下物體的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)，因此為了在太空中進(jìn)行精確的操作，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的仿真訓(xùn)練，以適應(yīng)失重時(shí)操作的特點(diǎn)。VR技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)該操作的合適的選擇。再如，美國(guó)宇航局Ames研究中心的科學(xué)家將探索的火星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到了火星的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，研究人員可以看到全方位的火星表面景象:高山、平

26、川、河流、以及縱橫的溝壑里被風(fēng)化的斑斑的巨石，都顯得十分清晰逼真，而且不論你從哪個(gè)方向看這些圖，視野中的景象都會(huì)隨著你的頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，就好像真的置身于火星上漫游。1.2虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真從最早的數(shù)字仿真，發(fā)展到了今天的可視化仿真、多媒體仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是九十年代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)之一。它以仿真的形式給用戶創(chuàng)造一個(gè)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過(guò)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，

27、使人可以“進(jìn)入”這種虛擬的環(huán)境直接觀察事物的內(nèi)在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實(shí)感。可視化仿真技術(shù)的目標(biāo)是把由數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)按照其自身的物理背景進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，用圖像的方式來(lái)展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容和相互關(guān)系，便于把握過(guò)程的整體演進(jìn)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律，豐富科學(xué)研究的途徑，縮短研究周期?？梢暬抡婢褪菍?shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或動(dòng)畫(huà)形式，使仿真結(jié)果可視化并具有直觀性【3】。多媒體仿真技術(shù)是指計(jì)算機(jī)綜合處理各種媒體信息，包括文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、圖像、聲音、視頻等，在各種信息間建立邏輯連接，并集成一個(gè)有交互功能的多媒體系統(tǒng)。多媒體的本質(zhì)不僅是信息的集成，而且也是設(shè)備和軟件的集成

28、，并通過(guò)邏輯連接形成一個(gè)有機(jī)整體，又可實(shí)現(xiàn)交互控制，所以說(shuō)數(shù)字化、集成性和交互性是多媒體的核心【4】。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中，用戶是“投入”到這個(gè)環(huán)境中去，讓用戶在人工合成的環(huán)境中獲得“進(jìn)入角色”的休驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要內(nèi)容是:實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。在“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”下，近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)取得的一些技術(shù)成果，并已集成了一些很有實(shí)用前景的應(yīng)用系統(tǒng)，而且智能虛擬世界也在不斷地發(fā)展。1.2.2虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。美國(guó)宇航局(NASA)研究的

29、重點(diǎn)放在對(duì)空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真上，他們大量運(yùn)用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(HIT Lab)進(jìn)行感覺(jué)、知覺(jué)、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制能力的研究。Dave Sims等人研制出虛擬現(xiàn)實(shí)撤退模型來(lái)觀看系統(tǒng)如何運(yùn)作。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。美國(guó)Wright-Patterson空軍基地的“3D圖像和計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室”是在SGI4D/400工作站上建立了空間衛(wèi)星的虛擬環(huán)境來(lái)仿真近地空間和描述3D圖形衛(wèi)星模型環(huán)繞地球軌道的運(yùn)行狀態(tài)，使得仿真者對(duì)仿真對(duì)象信息的把握更加充分【5】。德國(guó)Damastadt的Fraunhofe;計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究所開(kāi)發(fā)

30、一種名為“虛擬設(shè)計(jì)”的組合工具，可使得圖像伴隨聲音實(shí)時(shí)顯示。德國(guó)國(guó)家數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)研究中心(GMD)專門成立了一個(gè)部門，研究虛擬現(xiàn)實(shí)表演，沖突檢測(cè)，裝訂在箱子中的物體的移動(dòng)，高速變換以及運(yùn)動(dòng)控制。英國(guó)的Bristol有限公司發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的焦點(diǎn)應(yīng)該集中在軟件與整體綜合技術(shù)上，該公司將VIZ分成三大類別:實(shí)際環(huán)境檢測(cè)、虛擬環(huán)境控制、虛擬環(huán)境顯示。日本是當(dāng)前虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)先的國(guó)家之一，主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)庫(kù)的研究。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面。東京大學(xué)的廣獺研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化

31、問(wèn)題，現(xiàn)在己經(jīng)有了4項(xiàng)成果:一個(gè)類似CAVE的系統(tǒng)、用HMD在建筑群中漫游、人體測(cè)量和模型隨動(dòng)、飛行仿真器。我國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比在該領(lǐng)域還有一定的差距。我國(guó)的九五規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把虛擬環(huán)境仿真列入了研究項(xiàng)目。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)研究、最有權(quán)威的單位之一，他們著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理;在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺(jué)接口方面開(kāi)發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法;實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，提供開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)

32、用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了層面迭加的繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺(jué)，同時(shí)還提供了方便的交互工具，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和畫(huà)面的真實(shí)感都達(dá)到了較高的水平。中視典數(shù)字科技有限公司從事虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真、多媒體技術(shù)、三維動(dòng)畫(huà)研究與開(kāi)發(fā)也都取的不錯(cuò)的效果，成功開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬場(chǎng)景瀏覽器軟件VR-Platform。1.3問(wèn)題的提出當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)已在歐美、臺(tái)灣等地區(qū)廣泛使用，并己廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、旅游、產(chǎn)品、房地產(chǎn)、服裝展示、展覽等領(lǐng)域。但在國(guó)內(nèi)規(guī)劃領(lǐng)域目前卻應(yīng)用不多，

33、這是因?yàn)?1.從應(yīng)用來(lái)說(shuō)涉及范田太廣，三維數(shù)據(jù)模型需求量太大，這就使得三維建模與數(shù)據(jù)處理的工作量太大。2.當(dāng)前所生成的模型在不同環(huán)境下很難作到與周邊環(huán)境的融合，這就大大降低了模型的三維表現(xiàn)效果。3.當(dāng)前市場(chǎng)的三維軟件主要擅長(zhǎng)對(duì)三維模型的建立，而沒(méi)有將各種三維建模與虛擬場(chǎng)景仿真等高新技術(shù)手段結(jié)合在一起的直觀展示的軟件?；谝陨峡紤]，提出了研究“基于OpenGL的虛擬場(chǎng)景仿真平臺(tái)”的開(kāi)發(fā)。研究如何利用當(dāng)前最新的三維建模與虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的管理、維護(hù)和虛擬場(chǎng)景的逼真顯示等功能，提供實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的管理，如真實(shí)感圖形顯示、三維場(chǎng)景管理、聲音管理、地形調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的交互以及實(shí)時(shí)對(duì)象維護(hù)等

34、虛擬場(chǎng)景仿真平臺(tái)程序所需的多項(xiàng)功能，以適應(yīng)對(duì)不同人群的應(yīng)用需求。本文研究的是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合的飛機(jī)飛行動(dòng)畫(huà)。文中根據(jù)一定的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬特定飛行器的運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行手動(dòng)控制飛機(jī)的飛行，三維場(chǎng)景繪制主要用來(lái)顯示飛行器飛行的畫(huà)面，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些算法實(shí)時(shí)繪制飛行場(chǎng)面。當(dāng)然，一個(gè)高性能、逼真的實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)生成系統(tǒng)需要處理大量計(jì)算，這就需要使用高速計(jì)算機(jī)，或者有多臺(tái)計(jì)算機(jī)和專用硬件運(yùn)算電路等構(gòu)成的并行處理系統(tǒng)。考慮到目前的投資能力和技術(shù)可行性，日前系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為AMD Athlon 1.8GHz，內(nèi)存DDR1G，顯示器為AcerAF706.軟件平臺(tái)是網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的Window

35、s XP，編程環(huán)境可視化的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Microsoft Visual C+ 6.0和強(qiáng)大的三維軟件包OpenGL 1.2。第2章 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想2.1虛擬場(chǎng)景仿真軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的虛擬場(chǎng)景仿真軟件主要包括:模型系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。每個(gè)系統(tǒng)又由一個(gè)或多個(gè)功能模塊組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。虛虛擬場(chǎng)景仿真軟件坐標(biāo)系統(tǒng)背景系統(tǒng)特效系統(tǒng)控制系統(tǒng)機(jī)場(chǎng)和跑道天空和太陽(yáng)機(jī)體坐標(biāo)系視點(diǎn)坐標(biāo)系霧化效果光照效果鍵盤控制地面坐標(biāo)系模型系統(tǒng)飛機(jī)三維模型 圖2.1 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的整體結(jié)構(gòu)2.1.1模型系統(tǒng)進(jìn)行飛行仿真首先是要繪制一個(gè)外型精細(xì)的飛機(jī)模型，

36、而繪制飛機(jī)模型的方法很多，即可以利用OpenGL圖形庫(kù)中的點(diǎn)、線、多邊形結(jié)合的方法來(lái)繪制，也可以采用一些專業(yè)的三維建模軟件進(jìn)行繪制。由于使用OpenGL程序構(gòu)建飛機(jī)模型外觀上比較粗糙，建模時(shí)的直觀性較差，建模后必須通過(guò)程序的運(yùn)行才能看到效果，這樣在建模的過(guò)程中不得不反復(fù)的運(yùn)行程序來(lái)看模型圖像，將會(huì)有許多時(shí)間浪費(fèi)在反復(fù)運(yùn)行程序上，而且修改模型時(shí)的效率較低。同時(shí)在OpenGL中并沒(méi)有提供建模的高級(jí)命令，因此建模過(guò)程比較繁瑣，編程量較大。而利用一些專業(yè)的三維建模軟件建模時(shí)不僅不需要編程而且可以很直觀的構(gòu)造模型，模型的外觀也更為精細(xì)。考慮各種軟件的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合本課題的設(shè)計(jì)要求，最

37、終決定采用專業(yè)建模軟件3DS MAX來(lái)建立虛擬場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的飛機(jī)模型。飛機(jī)模型是虛擬場(chǎng)景仿真系統(tǒng)中的主體，它繪制的越精細(xì)，外形和真正的飛機(jī)實(shí)體越接近，就越能給人以更加逼真的視覺(jué)效果。因此建立飛機(jī)模型是進(jìn)行虛擬場(chǎng)景仿真軟件設(shè)計(jì)的第一步，也是構(gòu)成飛行仿真系統(tǒng)的必不可少的一部份。2.1.2坐標(biāo)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景仿真軟件中，坐標(biāo)系統(tǒng)是場(chǎng)景繪制和管理的基礎(chǔ)。虛擬場(chǎng)景仿真系統(tǒng)程序中包含三種坐標(biāo)系:地面坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系和視點(diǎn)坐標(biāo)系。地面坐標(biāo)系主要用于繪制地形時(shí)確定大地的位置坐標(biāo)，它是與地球固連的坐標(biāo)系。除此之外，在描述飛機(jī)的質(zhì)心位置和姿態(tài)角以及速度時(shí)，一般取該坐標(biāo)系為參考標(biāo)準(zhǔn)。地面坐標(biāo)系原點(diǎn)A固定在地面的某點(diǎn)，

38、鉛垂軸AYd向上為正，橫軸AXd與縱軸AZd為水平面內(nèi)互相垂直的兩軸。本文中取縱軸-AZd為飛機(jī)的飛行航線，用AZd = L表示航程，AXd = Z表示側(cè)向偏離(向右為正)、AYd = H表示飛行高度，地面坐標(biāo)系如圖2.2所示。 圖2-2 地面坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系主要用來(lái)描述飛機(jī)飛行姿態(tài)角以及實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的跟蹤視角。機(jī)體坐標(biāo)系是與飛機(jī)固連的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在飛機(jī)的重心上，縱軸OZt在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正;立軸OYt也在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)并垂直于OZt，指向座艙蓋為正;橫軸OXt與YOZ平面垂直，指向右翼為正。本文將飛機(jī)原點(diǎn)取在飛機(jī)質(zhì)心，而各軸平行于地面坐標(biāo)系的三個(gè)軸，這種機(jī)體坐標(biāo)系為飛機(jī)牽

39、連地面坐標(biāo)系，如圖2.3所示。 圖2.3 機(jī)體坐標(biāo)系視點(diǎn)坐標(biāo)系即攝像機(jī)坐標(biāo)系，z軸指向鏡頭方向，x軸和Y軸分別為攝像機(jī)的水平和垂直方向。本文采用的是飛機(jī)跟蹤視角，即視點(diǎn)坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)原點(diǎn)固聯(lián)，即兩原點(diǎn)始終保持一段固定的距離，也即視點(diǎn)坐標(biāo)系隨機(jī)體坐標(biāo)系進(jìn)行移動(dòng)，機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)于視點(diǎn)坐標(biāo)系沒(méi)有位移運(yùn)動(dòng)，只有繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在三維圖形仿真視窗中可以看見(jiàn)飛機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)變化，而地面坐標(biāo)系在XOZ平面內(nèi)有位移運(yùn)動(dòng)，仿真程序中通過(guò)飛行場(chǎng)景的移動(dòng)來(lái)體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。2.1.3背景系統(tǒng)開(kāi)發(fā)虛擬場(chǎng)景仿真軟件，除了有外形精細(xì)的飛機(jī)模型以外，環(huán)境背景的模擬也是十分重要的，環(huán)境背景的繪制不僅會(huì)給人

40、以身臨其境的感覺(jué)，使仿真軟件更加逼真，而目通過(guò)背景的移動(dòng)能更好的體現(xiàn)飛機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。本文中的環(huán)境背景主要包括草地、山脈、機(jī)場(chǎng)、跑道、太陽(yáng)、天空和水。它們是構(gòu)成飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真軟件的基本場(chǎng)景。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了OpenGL強(qiáng)大的渲染功能，如生成紋理，混合操作、紋理映射等，從而將各種環(huán)境背景高效的融合到一起，實(shí)現(xiàn)飛行仿真軟件中環(huán)境背景的模擬。2.1.4特效系統(tǒng)有了飛機(jī)模型，又有了環(huán)境背景的襯托，就已經(jīng)具備了虛擬場(chǎng)景仿真的基本條件，但是飛行仿真的效果可能還不盡人意，因?yàn)樵谧匀唤缰?，除了一些有表面體積的物體以外，還有一些沒(méi)有固定形體而又是自然界中固有的東西，比如空氣、陽(yáng)光和霧。我們之所以能看到物體，

41、能分辨出物體的形狀和顏色，其實(shí)就是因?yàn)橛泄獾拇嬖?，光照的重要性不僅僅是因?yàn)樗谷丝梢钥匆?jiàn)物體，而且它和反光表面、顏色和各種其它的特殊視角效果一起使三維圖形更加具有真實(shí)感。木文中為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)世界，對(duì)虛擬場(chǎng)景仿真軟件系統(tǒng)中添加了光照和霧化的特效處理，利用OpenGL中的光照函數(shù)給了維場(chǎng)景設(shè)置環(huán)境光、漫射光和鏡面反射光，由此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界中的幾種光照，使模型和場(chǎng)景的顯示效果更加逼真。另外，向場(chǎng)景中添加霧，除了給人帶來(lái)真實(shí)的霧感之外，它還可以模糊遠(yuǎn)處的物體，使它們隨著觀察者的靠近而逐漸的清晰起來(lái)。這樣既可以減少同一時(shí)間內(nèi)場(chǎng)景中幾何物體的數(shù)目，又可以在物體進(jìn)入視錐體時(shí)防止它們突然的跳入用戶的視野，

42、使模擬仿真軟件的效果更加逼真。2.1.5控制系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景仿真軟件的控制系統(tǒng)包括鍵盤控制。為使仿真軟件不受外界條件限制，在不具備Futaba遙控器的情況下能靈活控制，虛擬場(chǎng)景仿真軟件也可以采用鍵盤來(lái)模擬控制飛機(jī)飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達(dá)到模擬仿真的效果。2.2虛擬場(chǎng)景仿真軟件的設(shè)計(jì)流程本文開(kāi)發(fā)虛擬場(chǎng)景仿真軟件，其設(shè)計(jì)流程主要包含三個(gè)步驟:第一步:首先利用專業(yè)建模軟件3DS MAX來(lái)建立飛機(jī)模型。第二步:其次是將飛機(jī)模型文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入工程。雖然3DS MAX建模方便，效果逼真，但是用3DS MAX制作的動(dòng)畫(huà)沒(méi)有交互性，無(wú)法實(shí)時(shí)控制，而OpenGL的實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)大，因此需要將3DS

43、MAX建立的飛機(jī)模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將新模型文件添加到仿真程序工程中。第三步:最后利用OpenGL中的繪制及雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真。當(dāng)飛機(jī)模型能正常顯示時(shí)，再利用OpenGL中的強(qiáng)大繪制及渲染功能為飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真程序添加場(chǎng)景，結(jié)合霧化、燈光等特效處理，使場(chǎng)景顯示效果更加逼真;根據(jù)飛機(jī)姿態(tài)角的變化，改變地形坐標(biāo)和視點(diǎn)坐標(biāo)，使飛機(jī)模型的飛行運(yùn)動(dòng)和場(chǎng)景的改變相結(jié)合;再利用雙緩存技術(shù)(后臺(tái)緩存中執(zhí)行繪制指令，在前臺(tái)緩存中進(jìn)行圖像顯示)在屏幕上顯示飛機(jī)飛行三維圖形仿真過(guò)程。由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度較快，所以可以實(shí)現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達(dá)到平滑的動(dòng)畫(huà)效果。虛擬場(chǎng)景仿真軟件的設(shè)計(jì)流程如圖2.4所示。

44、圖2.4 虛擬場(chǎng)景仿真軟件的設(shè)計(jì)流程2.3仿真軟件實(shí)施方案論證在軟件平臺(tái)上，整個(gè)場(chǎng)景仿真平臺(tái)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經(jīng)選定為Windows XP操作系統(tǒng)。Windows XP操作系統(tǒng)是PC平臺(tái)窗口環(huán)境事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Windows XP操作系統(tǒng)所提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)有以下幾種:1.提供與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O功能;2.高效的內(nèi)存管理突破了常規(guī)內(nèi)存限制，允許程序透明地存取擴(kuò)充內(nèi)存和擴(kuò)展內(nèi)存;3.支持多任務(wù)處理。下面就開(kāi)發(fā)場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的場(chǎng)景仿真開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行闡述和選型。2.3.1仿真軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇仿真軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境工具選定為Microsoft公司的Microsoft Visual C+ 6.0 Visual C+

45、6.0編譯器具有很優(yōu)秀的兼容性，它不僅支持ANSI標(biāo)準(zhǔn)C，C+而且還支持微軟的擴(kuò)展C， C+，以及Unix的C， C+，是Windows 9X上操作最方便，功能最強(qiáng)大的C和C+編譯平臺(tái)。Visual C+ 6.0中的Microsoft基礎(chǔ)類庫(kù)(MFC)生成Windows GUI(圖形用戶接口)程序。MFC是Visual C+的核心，稱為“應(yīng)用程序框架”，它一方面封裝了Windows95 API，另一方面使用稱為“消息映射”的機(jī)制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖以及MFC應(yīng)用程序的其他對(duì)象。Visual C+ 6.0支持Win32平臺(tái)(Windows 95， 98/NT4.0，

46、5.0)應(yīng)用程序(Application)服務(wù)(Service)和控件(Control)的開(kāi)發(fā)。Visual C+ 6.0還有以下特點(diǎn):1.Visual C+ 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)Visual C+ 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境Developer Studio是由Win32環(huán)境下運(yùn)行的一套集成開(kāi)發(fā)工具所組成，包括文本編輯器(Text Editor)資源編輯器(Resource Editor)項(xiàng)目建立工具(Project Build Facilities)優(yōu)化編譯器(Optimizing Compiler)增量連接器(Incremental Linker)源代碼瀏覽器(Source Code Browser

47、)集成調(diào)試器(Integrated Debugger)等。2.使用向?qū)?Wizard)-計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用程序設(shè)計(jì)在Visual C+ 6.0中可以使用各種向?qū)?Wizards). MFC類庫(kù)(Microsoft Foundation Class Library)和活動(dòng)模板庫(kù)(Active Template Library簡(jiǎn)稱ATL)來(lái)開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序，向?qū)?shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)輔助程序設(shè)計(jì)工具，用于幫助用戶自動(dòng)生成各種不同類型應(yīng)用程序風(fēng)格的基本框架。3.方便編程的集成數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)Visual C+ 6.0允許用戶建立強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序:可以使用ODBC類(開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù))和高性能的32位OD

48、BC驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)如Visual Foxpro 6.0、Access SQL Sever等可以使用DAO類(數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象)通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)訪問(wèn)和操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象與結(jié)構(gòu)。2.3.2采取的研究方法和技術(shù)路線開(kāi)發(fā)“虛擬場(chǎng)景仿真平臺(tái)”系統(tǒng)，決定采用何種編程接口是三維應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，業(yè)界現(xiàn)有多種不同的3D API標(biāo)準(zhǔn)，它們各有特點(diǎn)，互有長(zhǎng)短。Direct3D: Microsoft推出的DirectX開(kāi)發(fā)包中的3D圖形組件，是微軟公司于1996年為PC開(kāi)發(fā)的API，與Windows95， Windows NT操作系統(tǒng)的兼容性好，可以繞過(guò)圖形顯示接口(GDI )直接

49、進(jìn)行支持API的各種硬件的底層操作，大大提高游戲的運(yùn)行速度，是一系列高層與低層API的組合。但其移植性比較差，考慮到與各方面的兼容性，用起來(lái)比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見(jiàn)得最優(yōu)。3D Glide:其主要是同3D顯卡TNT系列結(jié)合。由于與硬件的結(jié)合緊密，其執(zhí)行效率比Direct3D及OpenGL要高。但其可移植性比較差，況且只能用在TNT系列顯卡上，所以應(yīng)用較少。OpenGL:OpenGL最初用于高端的圖形工作站，后來(lái)其接口與功能得到了發(fā)展，并走向其他平臺(tái)，如Ms Windows， X Window， OS/2和Mac OS等。OpenGL是由SGI公司開(kāi)發(fā)的IRIS GL演變而來(lái)的復(fù)雜的3D圖形設(shè)

50、計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。它的特點(diǎn)是可以在不同平臺(tái)之間進(jìn)行移植，還可以在客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)中工作，效率也要比Direct3D高。OpenGL提供一系列的三維圖形單元供開(kāi)發(fā)者調(diào)用;OpenGL提供一系列的圖形變換函數(shù);OpenGL提供一系列的外部設(shè)備訪問(wèn)函數(shù)，使開(kāi)發(fā)者可以方便地訪問(wèn)鼠標(biāo)、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了OpenGL的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。OpenGL是一種設(shè)計(jì)良好的低層的3D API，其運(yùn)行平臺(tái)最為廣泛，為了獲得高質(zhì)量的三維圖形效果以及便于編程考慮，本文也是采用OpenGL作為開(kāi)發(fā)場(chǎng)景系統(tǒng)平臺(tái)的三維圖形API。2.3.3三維物體幾何建模技術(shù)和工具的選擇建模是通過(guò)獲取真實(shí)環(huán)

51、境的各種數(shù)據(jù)，然后根據(jù)應(yīng)用的需要，利用這些數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的虛擬模型。虛擬仿真環(huán)境的建模包括虛擬對(duì)象物體的幾何建模、物理建模和運(yùn)動(dòng)建模。本文中，主要涉及到對(duì)象物體的幾何建模。三維物體的幾何建模描述了虛擬物體的三維造型(多邊形、三角形和頂點(diǎn))以及外觀(紋理、表面反射系數(shù)、顏色等)。虛擬物體的三維造型可以借助于特殊的軟件自動(dòng)生成模型。早期的方法是在仿真程序中完成幾何建模，借助OpenGL豐富的圖形處理功能，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成熟的Bezier， NURBS等樣條曲面理論設(shè)計(jì)完成。后來(lái)出現(xiàn)了仿真程序和特定的建模工具交互地建立，先使用傳統(tǒng)的CAD軟件(如IDEAS， AutoCAD或3D Studio MA

52、X)進(jìn)行繪制，然后導(dǎo)出為ads文件，最后將ads文件轉(zhuǎn)換成OpenGL可用的顯示列表，在需要顯示時(shí)調(diào)用顯示列表即可經(jīng)過(guò)一定的圖形格式轉(zhuǎn)換調(diào)入到仿真環(huán)境中，形成仿真系統(tǒng)中的實(shí)體。上述方法要花費(fèi)大量的工作時(shí)間，且其建模過(guò)程的可見(jiàn)性和可操作性較差。這些不足促使了專業(yè)建模工具軟件的迅速發(fā)展，模型建造完畢后可直接調(diào)入程序使用，完成了仿真系統(tǒng)和建模工具的直接交互。在虛擬場(chǎng)景仿真方面凸現(xiàn)出兩種專業(yè)的建模軟件，MultiGen Creator和3D Studio MAX。3D Studio是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一套用于微機(jī)上的制作動(dòng)畫(huà)及模型的應(yīng)用軟件。文件格式是3DS格式，該軟件非常強(qiáng)大，許多精美的電影

53、動(dòng)畫(huà)以及制作精良的廣告產(chǎn)品都是由該軟件制作完成的。MultiGen Creator系列軟件是美國(guó)Muttigen-Paradigm公司新一代實(shí)時(shí)仿真建模軟件，它在滿足實(shí)時(shí)性的前提下生成而向仿真的、逼真性好的大而積場(chǎng)景。它可為二十五種之多的不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的Open Flight格式在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域成為最流行的模型格式，并成為仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)【7】。2.4虛擬場(chǎng)景仿真軟件的總體概述根據(jù)需求和上述的實(shí)施方案的選擇，虛擬場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的主要功能是能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)入物體模型，并加以修改，增添周邊環(huán)境和特殊效果，營(yíng)造出一個(gè)逼真的仿真場(chǎng)景，并配以一定的聲音效果，使觀察者沉浸在逼真的虛擬

54、仿真環(huán)境中。如果在網(wǎng)絡(luò)條件下，能夠從其它幾個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)中接收數(shù)據(jù)，完成場(chǎng)景的多媒體動(dòng)畫(huà)演示和仿真。2.4.1虛擬場(chǎng)景仿真軟件的兩種工作方式本系統(tǒng)采用Visual C+ 6.0作為仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)DirectSound作為音效設(shè)計(jì)引擎，結(jié)合Creator或者使用OpenGL作為三維引擎，3D Max三維建模軟件，綜合設(shè)計(jì)而成。該仿真系統(tǒng)具有兩種工作方式:聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和單機(jī)運(yùn)行。不同的運(yùn)行模式有不同的程序流程。1. 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)程序的流程接收數(shù)據(jù)模型1節(jié)點(diǎn)模型2節(jié)點(diǎn)模型3節(jié)點(diǎn)模型4節(jié)點(diǎn)模型5節(jié)點(diǎn)線程同步場(chǎng)景控制參數(shù)場(chǎng)景刷新 圖2.5 聯(lián)網(wǎng)時(shí)的流程圖如圖2.5所示:它的基本流程為:主線程先執(zhí)行，然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口

55、線程。網(wǎng)絡(luò)接口線程獨(dú)立于主線程工作，它接收來(lái)自其它幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線程同步標(biāo)記是否為0，若是置其為1，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(輔助線程到主程序文檔結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)傳輸)傳輸完畢，線程同步標(biāo)記還原為0。主線程進(jìn)行數(shù)據(jù)條件判斷(即是否該仿真接點(diǎn)數(shù)據(jù)位都已具備)。若滿足，判斷線程同步標(biāo)記是否為0，若否，則等待，傳輸完畢，若是則將其置為2，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸判斷線程同步標(biāo)記(文檔類中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類中)，在程序設(shè)計(jì)中，則線程同步標(biāo)記還原為0。主線程進(jìn)行場(chǎng)景顯示。根據(jù)相應(yīng)的需要開(kāi)幾個(gè)模型節(jié)點(diǎn)。但是不能超過(guò)五個(gè)。2. 非聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)即單機(jī)模式下，主要便是進(jìn)行場(chǎng)景的各種設(shè)置，如圖2.5。場(chǎng)景設(shè)置模型調(diào)入地形調(diào)入

56、天空實(shí)現(xiàn)特殊效果粒子系統(tǒng)場(chǎng)景刷新 圖2.6 單機(jī)模式下的場(chǎng)景顯示如圖2.6所示，進(jìn)行各個(gè)模型(模塊)的設(shè)置，通過(guò)人機(jī)交互的方式進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，來(lái)達(dá)到場(chǎng)景展示的一個(gè)功能。2.4.2虛擬場(chǎng)景仿真軟件的表現(xiàn)方法虛擬場(chǎng)景仿真平臺(tái)是運(yùn)用虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但它不是仿真技術(shù)與多媒體技術(shù)的簡(jiǎn)單結(jié)合，虛擬場(chǎng)景仿真技術(shù)是一個(gè)自成體系的研究領(lǐng)域，有其自己的技術(shù)內(nèi)涵。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:1.層次化對(duì)象模型虛擬場(chǎng)景仿真對(duì)象模型封裝了某一實(shí)體對(duì)象的數(shù)學(xué)/邏輯模型及其表現(xiàn)模型。虛擬場(chǎng)景仿真對(duì)象模型之間具有分層的狀態(tài)和消息組合關(guān)系，若干基本對(duì)象模型可以組裝成更大規(guī)模的組合對(duì)像模型，層次化的虛擬場(chǎng)景仿真對(duì)象構(gòu)成了系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景仿真模型。2.仿真動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的虛擬場(chǎng)景仿真表現(xiàn)模型虛擬場(chǎng)景涉及到大量的圖形、文字、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為了實(shí)時(shí)地表現(xiàn)這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，虛擬場(chǎng)景仿真平臺(tái)需要建立仿真動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的虛擬場(chǎng)景仿真表現(xiàn)模型。3.仿真表現(xiàn)方法與表現(xiàn)腳本生成技術(shù)仿真時(shí)空表現(xiàn)集中體現(xiàn)在腳本上，腳本模型是虛擬場(chǎng)景仿真表現(xiàn)的一種常用模型，它是多媒體仿真模型的有機(jī)組成部分，