基于三維動畫的虛擬場景實現(xiàn)——動態(tài)實體的運動控制和特效畢業(yè)設計論文

1、 本科畢業(yè)設計論文本科畢業(yè)設計論文題 目基于三維動畫的虛擬場景實現(xiàn)動態(tài)實體的運動控制和特效畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照

2、學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨Ｗ髡吆灻?日 期： 設計論文 畢業(yè) 任務書一、題目基于三維動畫的虛擬場景實現(xiàn)動態(tài)實體的運動控制和特效二、指導思想和目的要求綜合運用所學的基礎理論知識和專業(yè)技術知識，研究學習虛擬仿真技術，通過學習書本知識和網(wǎng)絡資源，分析并解決項目中遇到的各種問題，通過對基于三維動畫的虛擬場景實現(xiàn)這個項目的開發(fā)，學習和掌握如何利用OpenGL進行三維仿真。三、主要技術指標1. 研究基

3、于OpenGL的軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)飛機飛行及導彈飛行實時動畫。2. 研究OpenGL的紋理映射技術，利用該技術實現(xiàn)虛擬場景中場景和物體的貼圖。3. 研究基于粒子系統(tǒng)的特殊效果從而對粒子系統(tǒng)進行參數(shù)化設計和實時繪制。四、進度和要求知識準備階段 11月26日2月1日 了解國內外多方面資料。實驗與設計階段 2月2日 3月1日 開始進行編程實驗并考慮設計問題。完成設計階段 3月2日4月7日 完成系統(tǒng)的設計。編碼階段 4月8日5月7日 完成相應的編碼并開始準備測試。測試階段 5月8日5月30日 進行系統(tǒng)的測試。五、主要參考書及參考資料【1】 曾建超，俞志和. 虛擬現(xiàn)實的技術及其應用M. 北京：清華大學出

4、版社，1996. 5-88.【2】 汪成為，高文，王行仁. 虛擬現(xiàn)實技術的理論、實現(xiàn)及其應用M. 北京: 清華大學出版社，1996. 25-108.【3】 康風舉. 現(xiàn)代仿真技術與應用M. 北京：國防工業(yè)出版社，2001. 200-210.【4】 Whitechen. 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀R. 編號5413， 北京: BBS水木清華站， 2003.【5】 汪成為. 靈境技術的理論、實現(xiàn)與應用M. 北京：清華大學出版社，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)仿真學報，1997， 9: 10-20.【7】 王乘,周均清,等. Creator可視化

5、仿真建模技術M. 武漢: 華中科技大學出版社，2005. 6-8.【8】 武裕國,杜瑩. 利用C+模板設計可擴展的粒子系統(tǒng)A. 第四屆全國虛擬現(xiàn)實與可視化學術會義論文集C. 大連：大連海事大學出版社，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.學生 _ 指導教師 _ 系主任 _44目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1虛擬現(xiàn)實技術的概況11.1.1虛擬現(xiàn)實的概念及起源11.1.2虛擬現(xiàn)實的特點11.1.3虛擬現(xiàn)實技

7、術的應用41.2虛擬場景仿真技術的發(fā)展和國內外研究現(xiàn)狀41.2.1虛擬場景仿真技術的發(fā)展41.2.2虛擬場景仿真技術的國內外研究現(xiàn)狀51.3問題的提出6第2章 虛擬場景仿真軟件的系統(tǒng)設計思想82.1虛擬場景仿真軟件系統(tǒng)的整體結構82.1.1模型系統(tǒng)82.1.2坐標系統(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虛擬場景仿真軟件的設計流程122.3仿真軟件實施方案論證132.3.1仿真軟件開發(fā)環(huán)境的選擇132.3.2采取的研究方法和技術路線142.3.3三維物體幾何建模技術和工具的選擇152.4虛擬場景仿真軟件的總體概述162.4.1虛擬場景仿真軟件的兩種工作方式1

8、62.4.2虛擬場景仿真軟件的表現(xiàn)方法172.5 本章小結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)隨機范圍的設置203.3 粒子系統(tǒng)的設計213.4飛機尾焰仿真223.4.1飛機尾焰的粒子系統(tǒng)模型223.4.2用OpenGL表現(xiàn)尾焰特效243.4.3仿真結果及結論25第4章 系統(tǒng)實現(xiàn)及調試274.1軟件的使用界面274.2軟件的運行環(huán)境284.3軟件調試28第5章 總結與展望335.1本文的主要工作總結335.2后續(xù)工作展望34致 謝35參考文獻36畢業(yè)設計小結37附錄38摘 要虛擬現(xiàn)實技術是當前計算機領域中的一個重要的分支，它剛興起就表現(xiàn)出極其迅

9、猛的發(fā)展勢頭，在工業(yè)設計與制造、數(shù)字化城市、虛擬建筑、教育與培訓、展覽及娛樂等方面都將發(fā)揮重要的作用。虛擬現(xiàn)實技術中場景(虛擬場景)的建模始終是研究的核心問題，也是需要首先解決的問題，現(xiàn)在世界范圍內，對于這個問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。本論文緊緊圍繞當今熱門的虛擬場景建模技術進行了研究。重點研究了基于圖形和基于圖像的建模和繪制技術，以及場景的取景變換、光照、消隱、和紋理映射等真實感增強技術。本文主要研究工作及所取得的研究成果如下:1. 基于OpenGL的軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了一個飛機飛行及其

10、導彈飛行實時動畫，實時顯示飛行器的運動軌跡和飛行場面，較好的反映了仿真的效果。2. 設計了基于粒子系統(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，對粒子系統(tǒng)的屬性及隨機性作了理論性的分析研究，并對粒子系統(tǒng)進行了參數(shù)化設計和實時繪制。3. 對OpenGL的紋理映射技術及原理進行闡述，并摸索出一套合理的紋理映射方法，在使用過程中實現(xiàn)了對紋理的管理。利用紋理映射技術實現(xiàn)了虛擬場景中場景和物體的貼圖。關鍵詞 虛擬場景圖， 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)實技術的概況1.1.1虛擬現(xiàn)實的概念及起源虛擬現(xiàn)實(Virtual Rea

17、lity，簡稱VR)，是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP會議上的報告，而Virtual Reality一詞是80年代初美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier提出來的。VR系統(tǒng)在若干領域的成功應用，導致了它在90年代的興起。虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映，不僅包括圖形學、

18、圖像處理、模式識別、網(wǎng)絡技術、并行處理技術、人工智能等高性能計算技術，而且涉及數(shù)學、物理、通信，甚至與氣象、地理、美學、心理學和社會學等相關1。1.1.2虛擬現(xiàn)實的特點虛擬現(xiàn)實技術是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的人機界面技術，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。從概念上講，虛擬現(xiàn)實是一種由計算機和電子技術創(chuàng)造的新世界，是一個看似真實的模擬環(huán)境，通過多種傳感設備，用戶可根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察和操作，參與其中的事件;同時提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中。脫離不同的應用背景，VR技術是把抽象、復雜的計

19、算機數(shù)據(jù)空間表示為直觀的、用戶熟悉的事物。其技術實質在于提供了一種高級的人與計算機交互的接口。VR具有三個最突出的特征，即三“I”，特征可以由此來區(qū)分相鄰技術，如多媒體技術、科學計算可視化技術。這三個特征是交互性(Interaction)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)。如圖1.1表示出了三者的關系。 圖1.1 虛擬現(xiàn)實的三角形表示沉浸感是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度，要求計算機所創(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。理想的虛擬環(huán)境應該達到使用戶難以分辨真假的程度(例如可視場景應隨著視點的變化而變化)，甚至超越真實，如實現(xiàn)比

20、現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果等。交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)，使參與者通過使用專用設備實現(xiàn)用人類自然技能對虛擬環(huán)境中的實體進行交互考察與操作。因此，VR技術將從根本上改變人與計算機系統(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，這時手有觸摸感，并可以感覺物體的重量，場景中被抓的物體也立刻隨著手的移動而移動。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知能力全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念。由于VR并不只是一種媒介或一個高級終端用戶界面，它的應用能解決在工程、醫(yī)學、軍事等方面的問題，這些應用是

21、VR與設計者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設計的。這極大地依賴于人類的想象力。VR的最主要的技術特征是沉浸感，即投入感。VR的追求目標是力圖使用戶在計算機所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺狀態(tài)，有身臨其境的感覺，即所謂“沉浸感”。在該環(huán)境中的一切看上去是真的、聽起來是真的、動起來也是真的，一切感覺逼真。用戶覺得自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，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，與物體相互作用，如同在已有經(jīng)驗的現(xiàn)實世界中一樣。導致“沉浸感”，其原因是用戶對計算機環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺.為此，必須具備三種基本的技術要素：1. 圖像(

22、Imagery)虛擬物體要有三維結構的顯示，其中包括主要由以雙目視差、運動視差提供的深度信息，圖像顯示要有足夠大的視場，造成在圖像世界內觀察;而不是窗口觀察的感覺；顯示畫面符合觀察者當前的視點，能跟隨視線變化;物體圖像能得到不同層次的細節(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:用戶能覺得自己是在虛擬環(huán)境中參與對物體的控制。交互是多感知的，用戶可以使用與現(xiàn)實生活不同的方式(例如手語)與虛擬物體交互。3. 行為(Behavior)虛擬物體在獨自活動時、或相互作用時、或在與用戶的交互作用中，其動態(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、循設計者想象的規(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)物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、翻倒或從桌面落到地面等等。上述技術要素之間是相互關聯(lián)的，它們對于用戶的“存在”意識的影響，進而導致“沉浸感”的過程實際上是基于人的認知機理，因此可以說心理學是虛擬現(xiàn)實的物理學。VR的“沉浸感”特征使它與一般的交互式三維計算機圖形有較大的不同: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，使用戶暫時與現(xiàn)實環(huán)境隔離，投入到虛擬環(huán)境中，從而能更真實地注視數(shù)據(jù)。VR界面也可以給技術

24、人員及創(chuàng)作人員提供真實數(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技術從根本上改變了人與計算機系統(tǒng)的交互操作方式。1.1.3虛擬現(xiàn)實技術的應用VR【2】可以應用在商業(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、購房的虛擬現(xiàn)實服務，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買的設備和餐具安置在廚房的相應地方，看看是否合適，雖然認識到這一切都是虛擬的，但還是會被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會全身心的投入進去，并且最終買走了自己稱心的商品。虛擬現(xiàn)實技術為人們提供了一種理想的教學手段

25、，目前己被廣泛應用在軍事教學、體育訓練和醫(yī)學實習中，對于第一次走上手術臺的醫(yī)生來說，通過虛擬現(xiàn)實技術的幫助，他們可以在顯示器上一遍一遍的模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案，這種模擬器顯示的人體結構可以達到亂真的程度。在航天領域，VR技術也大有用武之地。例如，失重是航天技術中的一個必須克服的困難，因為在失重情況下物體的運動難以預測，因此為了在太空中進行精確的操作，需要進行長時間的仿真訓練，以適應失重時操作的特點。VR技術就是實現(xiàn)該操作的合適的選擇。再如，美國宇航局Ames研究中心的科學家將探索的火星數(shù)據(jù)進行處理后，得到了火星的虛擬現(xiàn)實圖像，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化的斑斑的巨石，都顯得十分清晰逼真，而且不論你從哪個方向看這些圖，視野中的景象都會隨著你的頭的轉動而改變，就好像真的置身于火星上漫游。1.2虛擬場景仿真技術的發(fā)展和國內外研究現(xiàn)狀1.2.1虛擬場景仿真技術的發(fā)展隨著計算機與計算機圖形學技術的發(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)實仿真。虛擬現(xiàn)實技術是在綜合計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感技術、顯示技術等多種學科技術的基礎上發(fā)展起來的，是九十年代計算機領域的最新技術之一。它以仿真的形式給用戶創(chuàng)造一個反映實體對象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設備，

27、使人可以“進入”這種虛擬的環(huán)境直接觀察事物的內在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實感。可視化仿真技術的目標是把由數(shù)值計算或實驗獲得的大量數(shù)據(jù)按照其自身的物理背景進行有機地結合，用圖像的方式來展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內容和相互關系，便于把握過程的整體演進，發(fā)現(xiàn)其內在規(guī)律，豐富科學研究的途徑，縮短研究周期。可視化仿真就是將數(shù)據(jù)結果轉換為圖形或動畫形式，使仿真結果可視化并具有直觀性【3】。多媒體仿真技術是指計算機綜合處理各種媒體信息，包括文字、圖形、動畫、圖像、聲音、視頻等，在各種信息間建立邏輯連接，并集成一個有交互功能的多媒體系統(tǒng)。多媒體的本質不僅是信息的集成，而且也是設備和軟件的集成

28、，并通過邏輯連接形成一個有機整體，又可實現(xiàn)交互控制，所以說數(shù)字化、集成性和交互性是多媒體的核心【4】。虛擬現(xiàn)實技術是指計算機產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中，用戶是“投入”到這個環(huán)境中去，讓用戶在人工合成的環(huán)境中獲得“進入角色”的休驗。虛擬現(xiàn)實技術的主要內容是:實時三維圖形生成技術、多傳感器交互技術，以及高分辨顯示技術。在“需求牽引”和“技術推動”下，近年來虛擬現(xiàn)實已經(jīng)取得的一些技術成果，并已集成了一些很有實用前景的應用系統(tǒng)，而且智能虛擬世界也在不斷地發(fā)展。1.2.2虛擬場景仿真技術的國內外研究現(xiàn)狀美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。美國宇航局(NASA)研究的

29、重點放在對空間站操縱的實時仿真上，他們大量運用了面向座艙的飛行模擬技術。華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室(HIT Lab)進行感覺、知覺、認知和運動控制能力的研究。Dave Sims等人研制出虛擬現(xiàn)實撤退模型來觀看系統(tǒng)如何運作。喬治梅森大學研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)。美國Wright-Patterson空軍基地的“3D圖像和計算機圖形實驗室”是在SGI4D/400工作站上建立了空間衛(wèi)星的虛擬環(huán)境來仿真近地空間和描述3D圖形衛(wèi)星模型環(huán)繞地球軌道的運行狀態(tài)，使得仿真者對仿真對象信息的把握更加充分【5】。德國Damastadt的Fraunhofe;計算機圖形學研究所開發(fā)

30、一種名為“虛擬設計”的組合工具，可使得圖像伴隨聲音實時顯示。德國國家數(shù)學與計算機研究中心(GMD)專門成立了一個部門，研究虛擬現(xiàn)實表演，沖突檢測，裝訂在箱子中的物體的移動，高速變換以及運動控制。英國的Bristol有限公司發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實應用的焦點應該集中在軟件與整體綜合技術上，該公司將VIZ分成三大類別:實際環(huán)境檢測、虛擬環(huán)境控制、虛擬環(huán)境顯示。日本是當前虛擬場景仿真技術的研究與開發(fā)領先的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實知識庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作。東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面。東京大學的廣獺研究室重點研究虛擬現(xiàn)實的可視化

31、問題，現(xiàn)在己經(jīng)有了4項成果:一個類似CAVE的系統(tǒng)、用HMD在建筑群中漫游、人體測量和模型隨動、飛行仿真器。我國和一些發(fā)達國家相比在該領域還有一定的差距。我國的九五規(guī)劃、國家自然科學基金會、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把虛擬環(huán)境仿真列入了研究項目。北京航空航天大學計算機系是國內最早進行虛擬現(xiàn)實研究、最有權威的單位之一，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)實中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關算法及實現(xiàn)方法;實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境，提供用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應

32、用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現(xiàn)與有關單位的遠程連接。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了層面迭加的繪制技術和預消隱技術，實現(xiàn)了立體視覺，同時還提供了方便的交互工具，使整個系統(tǒng)的實時性和畫面的真實感都達到了較高的水平。中視典數(shù)字科技有限公司從事虛擬現(xiàn)實與仿真、多媒體技術、三維動畫研究與開發(fā)也都取的不錯的效果，成功開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的虛擬場景瀏覽器軟件VR-Platform。1.3問題的提出當前，虛擬現(xiàn)實(VR)技術已在歐美、臺灣等地區(qū)廣泛使用，并己廣泛應用于城市規(guī)劃、旅游、產(chǎn)品、房地產(chǎn)、服裝展示、展覽等領域。但在國內規(guī)劃領域目前卻應用不多，

33、這是因為:1.從應用來說涉及范田太廣，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.當前市場的三維軟件主要擅長對三維模型的建立，而沒有將各種三維建模與虛擬場景仿真等高新技術手段結合在一起的直觀展示的軟件。基于以上考慮，提出了研究“基于OpenGL的虛擬場景仿真平臺”的開發(fā)。研究如何利用當前最新的三維建模與虛擬場景仿真技術，實現(xiàn)虛擬環(huán)境的管理、維護和虛擬場景的逼真顯示等功能，提供實現(xiàn)對對象的管理，如真實感圖形顯示、三維場景管理、聲音管理、地形調度等，實現(xiàn)對對象的交互以及實時對象維護等

34、虛擬場景仿真平臺程序所需的多項功能，以適應對不同人群的應用需求。本文研究的是一個虛擬現(xiàn)實與計算機圖形學技術結合的飛機飛行動畫。文中根據(jù)一定的飛機運動規(guī)律模擬特定飛行器的運動，可以進行手動控制飛機的飛行，三維場景繪制主要用來顯示飛行器飛行的畫面，根據(jù)計算機圖形學的一些算法實時繪制飛行場面。當然，一個高性能、逼真的實時三維動畫生成系統(tǒng)需要處理大量計算，這就需要使用高速計算機，或者有多臺計算機和專用硬件運算電路等構成的并行處理系統(tǒng)。考慮到目前的投資能力和技術可行性，日前系統(tǒng)的硬件平臺為AMD Athlon 1.8GHz，內存DDR1G，顯示器為AcerAF706.軟件平臺是網(wǎng)絡功能強大的Window

35、s XP，編程環(huán)境可視化的面向對象的編程語言Microsoft Visual C+ 6.0和強大的三維軟件包OpenGL 1.2。第2章 虛擬場景仿真軟件的系統(tǒng)設計思想2.1虛擬場景仿真軟件系統(tǒng)的整體結構本文設計的虛擬場景仿真軟件主要包括:模型系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。每個系統(tǒng)又由一個或多個功能模塊組成，整體結構如圖2.1所示。虛虛擬場景仿真軟件坐標系統(tǒng)背景系統(tǒng)特效系統(tǒng)控制系統(tǒng)機場和跑道天空和太陽機體坐標系視點坐標系霧化效果光照效果鍵盤控制地面坐標系模型系統(tǒng)飛機三維模型 圖2.1 虛擬場景仿真軟件的整體結構2.1.1模型系統(tǒng)進行飛行仿真首先是要繪制一個外型精細的飛機模型，

36、而繪制飛機模型的方法很多，即可以利用OpenGL圖形庫中的點、線、多邊形結合的方法來繪制，也可以采用一些專業(yè)的三維建模軟件進行繪制。由于使用OpenGL程序構建飛機模型外觀上比較粗糙，建模時的直觀性較差，建模后必須通過程序的運行才能看到效果，這樣在建模的過程中不得不反復的運行程序來看模型圖像，將會有許多時間浪費在反復運行程序上，而且修改模型時的效率較低。同時在OpenGL中并沒有提供建模的高級命令，因此建模過程比較繁瑣，編程量較大。而利用一些專業(yè)的三維建模軟件建模時不僅不需要編程而且可以很直觀的構造模型，模型的外觀也更為精細?？紤]各種軟件的實際應用領域及各自的優(yōu)缺點，再結合本課題的設計要求，最

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

38、鉛垂軸AYd向上為正，橫軸AXd與縱軸AZd為水平面內互相垂直的兩軸。本文中取縱軸-AZd為飛機的飛行航線，用AZd = L表示航程，AXd = Z表示側向偏離(向右為正)、AYd = H表示飛行高度，地面坐標系如圖2.2所示。 圖2-2 地面坐標系機體坐標系主要用來描述飛機飛行姿態(tài)角以及實現(xiàn)飛機的跟蹤視角。機體坐標系是與飛機固連的坐標系，原點在飛機的重心上，縱軸OZt在飛機對稱平面內，平行于翼弦，指向機頭為正;立軸OYt也在飛機對稱平面內并垂直于OZt，指向座艙蓋為正;橫軸OXt與YOZ平面垂直，指向右翼為正。本文將飛機原點取在飛機質心，而各軸平行于地面坐標系的三個軸，這種機體坐標系為飛機牽

39、連地面坐標系，如圖2.3所示。 圖2.3 機體坐標系視點坐標系即攝像機坐標系，z軸指向鏡頭方向，x軸和Y軸分別為攝像機的水平和垂直方向。本文采用的是飛機跟蹤視角，即視點坐標系與機體坐標系的兩坐標原點固聯(lián)，即兩原點始終保持一段固定的距離，也即視點坐標系隨機體坐標系進行移動，機體坐標系相對于視點坐標系沒有位移運動，只有繞各軸的旋轉運動，因此在三維圖形仿真視窗中可以看見飛機飛行時的姿態(tài)變化，而地面坐標系在XOZ平面內有位移運動，仿真程序中通過飛行場景的移動來體現(xiàn)飛機的飛行運動。2.1.3背景系統(tǒng)開發(fā)虛擬場景仿真軟件，除了有外形精細的飛機模型以外，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給人

40、以身臨其境的感覺，使仿真軟件更加逼真，而目通過背景的移動能更好的體現(xiàn)飛機的飛行運動。本文中的環(huán)境背景主要包括草地、山脈、機場、跑道、太陽、天空和水。它們是構成飛機飛行運動三維圖形仿真軟件的基本場景。設計中應用了OpenGL強大的渲染功能，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)有了飛機模型，又有了環(huán)境背景的襯托，就已經(jīng)具備了虛擬場景仿真的基本條件，但是飛行仿真的效果可能還不盡人意，因為在自然界中，除了一些有表面體積的物體以外，還有一些沒有固定形體而又是自然界中固有的東西，比如空氣、陽光和霧。我們之所以能看到物體，

41、能分辨出物體的形狀和顏色，其實就是因為有光的存在，光照的重要性不僅僅是因為它使人可以看見物體，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感。木文中為了更好的模擬現(xiàn)實世界，對虛擬場景仿真軟件系統(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)給了維場景設置環(huán)境光、漫射光和鏡面反射光，由此來模擬現(xiàn)實世界中的幾種光照，使模型和場景的顯示效果更加逼真。另外，向場景中添加霧，除了給人帶來真實的霧感之外，它還可以模糊遠處的物體，使它們隨著觀察者的靠近而逐漸的清晰起來。這樣既可以減少同一時間內場景中幾何物體的數(shù)目，又可以在物體進入視錐體時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，虛擬場景仿真軟件也可以采用鍵盤來模擬控制飛機飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達到模擬仿真的效果。2.2虛擬場景仿真軟件的設計流程本文開發(fā)虛擬場景仿真軟件，其設計流程主要包含三個步驟:第一步:首先利用專業(yè)建模軟件3DS MAX來建立飛機模型。第二步:其次是將飛機模型文件格式進行轉換并導入工程。雖然3DS MAX建模方便，效果逼真，但是用3DS MAX制作的動畫沒有交互性，無法實時控制，而OpenGL的實時控制功能強大，因此需要將3DS

43、MAX建立的飛機模型文件進行轉換，轉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實現(xiàn)仿真。當飛機模型能正常顯示時，再利用OpenGL中的強大繪制及渲染功能為飛機飛行運動三維圖形仿真程序添加場景，結合霧化、燈光等特效處理，使場景顯示效果更加逼真;根據(jù)飛機姿態(tài)角的變化，改變地形坐標和視點坐標，使飛機模型的飛行運動和場景的改變相結合;再利用雙緩存技術(后臺緩存中執(zhí)行繪制指令，在前臺緩存中進行圖像顯示)在屏幕上顯示飛機飛行三維圖形仿真過程。由于計算機的計算速度較快，所以可以實現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達到平滑的動畫效果。虛擬場景仿真軟件的設計流程如圖2.4所示。

44、圖2.4 虛擬場景仿真軟件的設計流程2.3仿真軟件實施方案論證在軟件平臺上，整個場景仿真平臺系統(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平臺窗口環(huán)境事實上的工業(yè)標準，Windows XP操作系統(tǒng)所提供的標準服務有以下幾種:1.提供與設備無關的I/O功能;2.高效的內存管理突破了常規(guī)內存限制，允許程序透明地存取擴充內存和擴展內存;3.支持多任務處理。下面就開發(fā)場景仿真系統(tǒng)的場景仿真開發(fā)工具進行闡述和選型。2.3.1仿真軟件開發(fā)環(huán)境的選擇仿真軟件開發(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標準C，C+而且還支持微軟的擴展C， C+，以及Unix的C， C+，是Windows 9X上操作最方便，功能最強大的C和C+編譯平臺。Visual C+ 6.0中的Microsoft基礎類庫(MFC)生成Windows GUI(圖形用戶接口)程序。MFC是Visual C+的核心，稱為“應用程序框架”，它一方面封裝了Windows95 API，另一方面使用稱為“消息映射”的機制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖以及MFC應用程序的其他對象。Visual C+ 6.0支持Win32平臺(Windows 95， 98/NT4.0，

46、5.0)應用程序(Application)服務(Service)和控件(Control)的開發(fā)。Visual C+ 6.0還有以下特點:1.Visual C+ 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)Visual C+ 6.0開發(fā)環(huán)境Developer Studio是由Win32環(huán)境下運行的一套集成開發(fā)工具所組成，包括文本編輯器(Text Editor)資源編輯器(Resource Editor)項目建立工具(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、)集成調試器(Integrated Debugger)等。2.使用向導(Wizard)-計算機輔助應用程序設計在Visual C+ 6.0中可以使用各種向導(Wizards). MFC類庫(Microsoft Foundation Class Library)和活動模板庫(Active Template Library簡稱ATL)來開發(fā)Windows應用程序，向導實質上是一種計算機輔助程序設計工具，用于幫助用戶自動生成各種不同類型應用程序風格的基本框架。3.方便編程的集成數(shù)據(jù)庫訪問Visual C+ 6.0允許用戶建立強有力的數(shù)據(jù)庫應用程序:可以使用ODBC類(開放數(shù)據(jù)庫)和高性能的32位OD

48、BC驅動程序來訪問各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)如Visual Foxpro 6.0、Access SQL Sever等可以使用DAO類(數(shù)據(jù)訪問對象)通過編程語言來訪問和操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫對象與結構。2.3.2采取的研究方法和技術路線開發(fā)“虛擬場景仿真平臺”系統(tǒng)，決定采用何種編程接口是三維應用程序開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，業(yè)界現(xiàn)有多種不同的3D API標準，它們各有特點，互有長短。Direct3D: Microsoft推出的DirectX開發(fā)包中的3D圖形組件，是微軟公司于1996年為PC開發(fā)的API，與Windows95， Windows NT操作系統(tǒng)的兼容性好，可以繞過圖形顯示接口(GDI )直接

49、進行支持API的各種硬件的底層操作，大大提高游戲的運行速度，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，用起來比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見得最優(yōu)。3D Glide:其主要是同3D顯卡TNT系列結合。由于與硬件的結合緊密，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，所以應用較少。OpenGL:OpenGL最初用于高端的圖形工作站，后來其接口與功能得到了發(fā)展，并走向其他平臺，如Ms Windows， X Window， OS/2和Mac OS等。OpenGL是由SGI公司開發(fā)的IRIS GL演變而來的復雜的3D圖形設

50、計的標準應用程序接口。它的特點是可以在不同平臺之間進行移植，還可以在客戶機/服務器系統(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發(fā)者調用;OpenGL提供一系列的圖形變換函數(shù);OpenGL提供一系列的外部設備訪問函數(shù)，使開發(fā)者可以方便地訪問鼠標、鍵盤、空間球、數(shù)據(jù)手套等這種直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境體現(xiàn)了OpenGL的技術優(yōu)勢。OpenGL是一種設計良好的低層的3D API，其運行平臺最為廣泛，為了獲得高質量的三維圖形效果以及便于編程考慮，本文也是采用OpenGL作為開發(fā)場景系統(tǒng)平臺的三維圖形API。2.3.3三維物體幾何建模技術和工具的選擇建模是通過獲取真實環(huán)

51、境的各種數(shù)據(jù)，然后根據(jù)應用的需要，利用這些數(shù)據(jù)生成相應的虛擬模型。虛擬仿真環(huán)境的建模包括虛擬對象物體的幾何建模、物理建模和運動建模。本文中，主要涉及到對象物體的幾何建模。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)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，結合計算機圖形學成熟的Bezier， NURBS等樣條曲面理論設計完成。后來出現(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)進行繪制，然后導出為ads文件，最后將ads文件轉換成OpenGL可用的顯示列表，在需要顯示時調用顯示列表即可經(jīng)過一定的圖形格式轉換調入到仿真環(huán)境中，形成仿真系統(tǒng)中的實體。上述方法要花費大量的工作時間，且其建模過程的可見性和可操作性較差。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公司開發(fā)的一套用于微機上的制作動畫及模型的應用軟件。文件格式是3DS格式，該軟件非常強大，許多精美的電影

53、動畫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Muttigen-Paradigm公司新一代實時仿真建模軟件，它在滿足實時性的前提下生成而向仿真的、逼真性好的大而積場景。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格式在實時三維領域成為最流行的模型格式，并成為仿真領域的行業(yè)標準【7】。2.4虛擬場景仿真軟件的總體概述根據(jù)需求和上述的實施方案的選擇，虛擬場景仿真系統(tǒng)的主要功能是能夠動態(tài)地調入物體模型，并加以修改，增添周邊環(huán)境和特殊效果，營造出一個逼真的仿真場景，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)絡條件下，能夠從其它幾個仿真節(jié)點中接收數(shù)據(jù)，完成場景的多媒體動畫演示和仿真。2.4.1虛擬場景仿真軟件的兩種工作方式本系統(tǒng)采用Visual C+ 6.0作為仿真開發(fā)平臺DirectSound作為音效設計引擎，結合Creator或者使用OpenGL作為三維引擎，3D Max三維建模軟件，綜合設計而成。該仿真系統(tǒng)具有兩種工作方式:聯(lián)網(wǎng)運行和單機運行。不同的運行模式有不同的程序流程。1. 聯(lián)網(wǎng)運行時程序的流程接收數(shù)據(jù)模型1節(jié)點模型2節(jié)點模型3節(jié)點模型4節(jié)點模型5節(jié)點線程同步場景控制參數(shù)場景刷新 圖2.5 聯(lián)網(wǎng)時的流程圖如圖2.5所示:它的基本流程為:主線程先執(zhí)行，然后啟動網(wǎng)絡接口

55、線程。網(wǎng)絡接口線程獨立于主線程工作，它接收來自其它幾個節(jié)點的數(shù)據(jù)。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線程同步標記是否為0，若是置其為1，進行數(shù)據(jù)傳輸(輔助線程到主程序文檔結構體數(shù)據(jù)傳輸)傳輸完畢，線程同步標記還原為0。主線程進行數(shù)據(jù)條件判斷(即是否該仿真接點數(shù)據(jù)位都已具備)。若滿足，判斷線程同步標記是否為0，若否，則等待，傳輸完畢，若是則將其置為2，進行數(shù)據(jù)傳輸判斷線程同步標記(文檔類中數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭晥D類中)，在程序設計中，則線程同步標記還原為0。主線程進行場景顯示。根據(jù)相應的需要開幾個模型節(jié)點。但是不能超過五個。2. 非聯(lián)網(wǎng)運行時即單機模式下，主要便是進行場景的各種設置，如圖2.5。場景設置模型調入地形調入

56、天空實現(xiàn)特殊效果粒子系統(tǒng)場景刷新 圖2.6 單機模式下的場景顯示如圖2.6所示，進行各個模型(模塊)的設置，通過人機交互的方式進行參數(shù)化設置，來達到場景展示的一個功能。2.4.2虛擬場景仿真軟件的表現(xiàn)方法虛擬場景仿真平臺是運用虛擬場景仿真技術實現(xiàn)。但它不是仿真技術與多媒體技術的簡單結合，虛擬場景仿真技術是一個自成體系的研究領域，有其自己的技術內涵。主要表現(xiàn)在如下幾個方面:1.層次化對象模型虛擬場景仿真對象模型封裝了某一實體對象的數(shù)學/邏輯模型及其表現(xiàn)模型。虛擬場景仿真對象模型之間具有分層的狀態(tài)和消息組合關系，若干基本對象模型可以組裝成更大規(guī)模的組合對像模型，層次化的虛擬場景仿真對象構成了系統(tǒng)的虛擬場景仿真模型。2.仿真動態(tài)數(shù)據(jù)的虛擬場景仿真表現(xiàn)模型虛擬場景涉及到大量的圖形、文字、音頻、視頻等動態(tài)數(shù)據(jù)，為了實時地表現(xiàn)這些動態(tài)數(shù)據(jù)，虛擬場景仿真平臺需要建立仿真動態(tài)數(shù)據(jù)的虛擬場景仿真表現(xiàn)模型。3.仿真表現(xiàn)方法與表現(xiàn)腳本生成技術仿真時空表現(xiàn)集中體現(xiàn)在腳本上，腳本模型是虛擬場景仿真表現(xiàn)的一種常用模型，它是多媒體仿真模型的有機組成部分，