（控制理论与控制工程专业论文）基于虚拟现实的漫游系统关键技术的研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g t h er e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g i e so f w a l k i n g - t h r o u g hs y s t e mb a s e d o nv i r t u a l r e a l i t y c a n d i d a t e ：m al i y a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ij i n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t i l o le n g ir l e _ c 2 1in g d a t eo fs u b m is s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h 。2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 7罗_f 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出霞要 贡献的个人和集体，均已在文巾以明确力式标明。本人完全意识到奉 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：匆刹鞋 日期：凇f 9 年3 月，o 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交沦义的复印件。本人允许哈尔 滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论 文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待 解密后适用本声明。 本论文( 固在授予学位后虽f j 可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 t 厶 作者( 签字) ：乌刹动导师( 签字) ：移 日期：x i 擘年宝月f 日扫伦年；月，f j 哈尔滨“f j 程人学硕十学何论文 摘要 目前，虚拟现实技术已经成为科学界和工程界广受关注的一门技术。它 被广泛应用于社会生活的各个领域，尤其是建筑、军事、医疗、娱乐等方面。 虚拟漫游系统是虚拟现实技术的一个重要的分支，也是虚拟现实技术的综合 应用。现在国内外很多研究机构和重点高校都在研究虚拟漫游系统，但是就 目静来看，漫游系统中的人机交互与控制是一个难点。本课题建立了一个既 实现三维场景漫游功能又实现对场景采用不同方式交互控制功能的虚拟生物 实验室漫游系统。 首先，本文利用纹理映射、光照材质设置等o p e n g l 技术建立一个虚拟 的三维生物实验室场景。其次，由于o p e n g l 只能绘制简单图元，为了实现 一些特定的复杂的实验室模型，本文在3 d sm a x 中建了一些复杂的实验室 模型，在三维场景中读入3 d s 模型，并绘制到三维场景中，丰富虚拟实验室 系统。然后，对三维场景实现场景漫游和视角的转换，让观察者随着视角的 变化观察实验室的整个结构模型，并在漫游过程中遇到障碍物实现场景的碰 撞检测功能。最后，通过键盘操作和鼠标控制对场景中的模型进行交互控制， 并利用基于数据驱动的自动交互控制方式实现了对虚拟实验审的人机交一：控 制。从场景外实时的接收交互控制参数，并将读敢的数据实时的交互存储起 来，实现备份数据，留待试验模拟后的观察研究之用。 相比一些虚拟漫游系统，本文实现的虚拟漫游系统在场景漫游视角转换 的效果上更接近用户的使用习惯。采用的碰撞检测算法更加简单方便，节省 了系统的资源和计算机的运行时| 、目j 。利用文档数据实现场景中三维模型的人 机交互功能，对远程控制虚拟漫游系统的研究有很大的实际意义。实时读取 场景外文档数据并对数据做备份，对后期实验数据的观察和研究有很大的帮 助作用。 关键字：虚拟现实；纹理映射；碰撞检测；漫游：交互控制 。， h ) 哈尔演l ：f j 。硕f 伊冷文 1 _ _ _ l _ - l _ _ _ _ _ l _ i _ l _ _ l _ _ l l i _ _ _ - _ i _ l i i - _ _ _ _ _ - i i _ _ _ _ _ _ _ i l _ l l _ _ _ _ i _ _ _ _ a b s t r a c t r e c e n t l y , v i r t u a lr e a l i t y , w h i c hh a sb e e no n eo ft h em o s th o t t e s t t e c h n o l o g i e sh a sg e tm o r ea n dm o l ea t t e n t i o ni nt h es c i e n c ef i e l da n de n g i n e e r i n g f i e l d i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fa r c h i t e c t u r e ，m i l i t a r ya f i h i r s ，m e d i c a l t r e a t m e n t ，e n t e r t a i n m e n ta n ds oo n v i r t u a lw a l k i n g t h r o u g ht e c h n o l o g yi sa n i m p o r t a n tp a r to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , a sw e l la si st h ei n t e g r i t ya p p l i c a t i o n o fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y n o w , al a r g en u m b e ro fi n s t i t u t i o n sa n df a m o u s u n i v e r s i t i e sa r ea l l e n g a g i n g i nv rt e c h n o l o g y b u t ，a c c o r d i n gt or e c e n t r e s e a r c h i n g ，m a n m a c h i n e m u t u a lc o n t r o l i sa d i f f i c u l t y i nt h ev i r t u a l w a l k i n g t h r o u g hs y s t e m t h ev i r t u a l3db i o l o g yl a b o r a t o r ys y s t e mw i t ht h e f u n c t i o no f3 dw a l k i n g t h r o u g ha n dm u t u a lc o n t r o lb e t w e e nm a na n dc o m p u t e r h a sb e e nb u i l ti nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e3 dv i r t u a lb i o l o g yl a b s c e n ei sb u i l t u s i n gt e x t u r em a p i n g ， l i g h t i n ga n dm a t e r i a ls e t t i n go ni nt h ep a p e r s e c o n d l y , b e c a u s eo p e n g lo n l yc a n d r a ws o m es i m p l ep i c t u r e s ，af e wo fc o m p l i c a t e dm o d e l sa r eb u i l t u s i n gt h e s o f t w a r eo f3 d sm a x ，f o rm e e t i n gt h en e e do fs o m ee s p e c i a lc o m p l i c a t e dl a b m o d e l s a n dt h em o d e l sw i m3 d sf o r m a ta r ei m p o s e dt o3 ds c e n e a n dd r a wi n t h ew a l k i n g - t h r o u g hs y s t e mt oc o n s u m m a t et h es y s t e m t h e n ，w a l k i n gt h r o u g hi n t h es c e n ea n dt r a n s f o r m i n gt h ev i e wp o i n t sh a sb e e nr e a l i z e dt om a k et h eo b s e r v e r b r o w s et h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e mw i t ht h ec h a n g i n gv i e wp o i n t s 。a n dc o l l i s i o n d e t e c t i n gf u n c t i o nd u r i n gu s e rw a l k i n gt h r o u g hi nt h ev i r t u a ls y s t e mh a sb e e n a c c o m p l i s h e d a tl a s t ，t h em u t u a lc o n t r o lb yk e y b o a r da n dm o u s ei nt h e3 d m o d e l ss c e n ei sa c c o m p l i s h e di nt h ep a p e ri ti sr e a l i z e dt h a tm a n m a c h i n em u t u a l c o n t r o li sb a s e do nd a t ad r i v i n g t h ed a t af o r mao u t s i d ef i l ea l ei m p o r t e dt o c o n t r o lt h em o d e l s ，a n da r eb a c k u pt oa n o t h e rf i l e sf o rr e s e a r c hl a t e r c o m p a r i n gw i t ho t h e rv i r t u a lw a l k i n g t h r o u g hs y s t e m s ，t h es y s t e mi nt h e p a p e ri sm o r ef r i e n d l ya n db e t t e rt om e e tt h en e e do ft h eu s e r si n t h es c e n e w a l k i n g t h r o u g ha n dv i e wp o i n tt r a n s f o r m i n g i n t r o d u c i n gt h ea r i t h m e t i co f 哈尔滨i ：稗人学硕十。何论文 c o l l i s i o nd e t e c t i n gi nt h i sp a p e ri sm o r es i m p l ea n dc o n v e n i e n t ，s a v i n gt h es v s t e m r e s o u r c ea n dt h et i m eo ft h ec o m p u t e rr u n n i n g ，i ti sv i t a lf a c t u a l s i g n i f i c a n c et o l o n g d i s t a n c ec o n t r o lt h ev i r t u a ls y s t e m ，b ym a k i n gu s eo fd a t at or e a l i z et h c m a n m a c h i n em u t u a lf u n c t i o nb e t w e e nt h em o d e l si nt h es c e n e i ti sg r e a th e l p f u l t oo b s e r v i n ga n dr e s e a r c ht h e e x p e r i m e n td a t e sl a t e r , b yi m p o r t i n gf i l ed a t e r e a l t i m e k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；t e x t u r em a p p i n g ；c o l l i s i o nd e t e c t i n g ；w a l k i n g t h r o u g h ； m u t u a lc o n t r o l 魄 f l 介尔滨+ 门犁人学硕十学何论文 。 置宣i ；i ；置i ；i i ；i 暑i i 暑昌i i i ；i ；i i i i i ；宣i 宣i ；- - | h ；i ；i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 课题提出的背景及意义，1 1 2 虚拟现实简介一2 1 3 虚拟现实技术研究现状一2 1 3 1 国外的研究现状3 1 3 2 国内的研究现状5 1 3 1 3 实际应用中存在的问题6 1 4 论文主要研究的内容一7 1 5 论文的组织结构9 第2 章虚拟漫游系统实现平台1 0 2 1 虚拟漫游系统的开发工具1 0 2 1 1v i s u a lc + + 6 0 一10 2 1 2o p e n g l 概述及功能介绍1 0 2 1 33 d sm a x 8 0 简介一1 l 2 2 利用o p e n g l 构建虚拟实验室三维场景1 2 2 2 1v c + + 6 0 中o p e n g l 开发环境的配置1 2 2 2 2m f c 环境下o p e n g l 应用程序框架的建立1 2 2 3 本章小结16 第3 章虚拟漫游系统关键技术的研究1 7 3 13 d 模型建立与读取17 3 1 13 d sm a x 建模17 3 1 23 d s 文件格式介绍一2 0 3 2 视点控制与场景漫游技术2 2 3 - 2 1 坐标系2 3 3 2 2 三维场景摄像机模拟：2 4 3 2 3o p e n g l 坐标变换2 5 3 3 场景中纹理映射、光照材质设置2 8 3 3 1 纹理映射2 8 3 3 2 光照材质设置2 9 3 4 场景漫游中的碰撞检测技术3 0 哈尔滨1 ：稗人学硕十学位论文 j 宣i i i i i i ；i 昌i i ；i ；i ；i i l l i ；i ；i i ；i ；i ； 3 5 人机之间的交互控制技术3l 3 6 基于文档数据的交互控制技术3 2 3 7 本章小结3 2 第4 章虚拟三维漫游场景模型的构建。3 4 4 1 系统的整体模块组成及功能一3 4 4 2 建立虚拟三维场景3 5 4 3 三维场景的真实效果处理：纹理贴图光源材质设置3 6 4 4 三维建模与3 d s 文件读取4 1 4 5 本章小结4 5 第5 章虚拟漫游系统交互功能的实现4 6 5 1 虚拟场景的交互漫游及视角的控制4 6 5 2 碰撞检测功能的实现5 1 5 3 交互控制场景中的物体模型5 3 5 4 基于数据驱动的自动交互控制过程5 6 5 5 辅助功能的实现5 9 5 6 本章小结6 1 结论6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 8 致 射6 9 价，j ：滨i 手f ! 人。：o 硕 j 学何论文 第l 章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 随补汁锋：机多媒体、可视化及图形学等技术的发艘1 ，我t r 百f 以利刚计 算机来精确地再现现实世界中绚l j | ：f 多彩的：l 维物体，并允分发挥自身的创造 性思维，通过入机交叵柬模拟、改造现艾f l 界，这就是f f i 玎最为热门的虚拟 现实技术。通过这种技术，建筑f ：程帅叮以直接设计f 荚规的楼房模型；军 事指挥员町以模拟战场进行：事推演：删民口j 以足不出户游览故寓博物馆等 名胜占迹e 。 虚拟漫游技术是虚拟现实技术的综合应用，它也是虚拟现实技术中的关 键技术。e ，虚拟漫游技术已经j “泛应用丁建筑、教育教学、航天军事、 城市规划等领域中，尤其是国内外各高校普遍丌展虚拟校网研究工作，数字 化校园、虚拟教学已经成为现代教育的一一个趋势。、 虚拟实验宅漫游系统她虚拟现史技术戍h j 研究的薛嘤载体，对于丌展口， 视化教订很深远的教育意义。传统的教育教学管理模式和教汀方法在自u 璺 方面已经逐渐娩示出了它的弊端，虚拟校园、虚拟实验窀、虚拟图书馆等数 字化校b 日的建设在可视化教冉方嘶越来越裎示出它的优锷卜l 。它除了豇j 以辅 助高校的科研：e 作，丽f l 不z j j 订啦拟实验窀j l ：腱高校学，i - 文验课程，不仪节约 了教育资源，还增强了学 - _ i ：i y , j 学习兴趣，提高了教学质超。 利用虚拟实验室模拟生物实验，在虚拟的环境中观察参数，让研究人员 足不出户就可模拟实验的过程。不仅在老师和学生之f 日j 搭建了一个方便快捷 的交流m i 台，而且也促进了帅生之间的交流和_ 匾动。存虚拟的实验室中交，1 漫游，从f i 问的方位锐角观察整个爻验室的仪器设备，模拟真实的实验奎参 观学习过程，给脱察告以全新视诱体验。 近年来，吲内的许多高校都根撕自身科研和教学的需求建立了一些虚拟 实验摩。随着虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域的应用价值越来 越受教育界学者的关注。 哈，j ：滨i ：私人7 硕 位论文 1 2 虚拟现实简介 虚拟现实，就是j 控幻的模拟律观雌界。虚拟现实技术一 的“现实”指i i ；j 是客观存任予现实i i c 界中的任何的i 维对象，客观对象具有功能上和物理上 的意义。虚拟现实模拟的客观世界町以是现有条件可实现的，也可以是不而f 实现的物体：“虚拟”指的她乖j j i h i t 算机模拟客观世界h 。因此，虚拟现实足 种创建和艚受虚拟眦界的计鲜机系统，这种虚拟环境通过看、听、感触铂： 用于体验行，使体验者有种沉浸其中的感觉卜。 虚拟现实技术作为现如今的最热门的t 大技术之一，也称灵境技术或人 工环境。虚拟现实就足人们以1 卜人翁的角色“身临其境”到虚拟三维世界中， 通过汁算机车| j 助硬件发备获得体的多感知的视听效果，并能进行交互操作， 以获取动念的交互l 刳彤显示数抓达剑义t 彰物和信息更令晰的擎樨 。简要的 说虚拟现。芡足利用计算机软馊件技术模拟客观世界f l j1 7 l 然现象或者人类f ， 动，创建一个虚拟的三维世界，通过一些计算机的辅助的硬件设备模拟现 实中人不同感官的真实感觉，如：听觉、视觉、触觉等捧1 。 虚拟观实技术有三方面的内涵，也称为3 i 特征一，即i m m e r s i o n ( 沉浸感、 i n t e r a c t i o n ( 交i j ：性) 和i m a g i n a t i o n ( 构想性) ”o 。沉浸性指的是体验者会有种“身 在其f p 的其实性感觉。交! l | 性足指体验存能与虚拟场i ； = 进行像现实世界。 样的观察、倾听、触摸的动作。构想性是体验者对虚拟世界的种设想，在 现实世界根本不能实现的也可以往稚拟f l j ：界中实现模拟，以达到“梦想成真” 的效果引2 。 虚拟现实系统根据其沉浸感程度和交瓦性功能的氍度4 同可以分为桌面 式虚拟现实系统、沉没式虚拟现实系统和分衍式虚拟现实系统”。桌丽虚 拟现实系统采j j 的是汁算紊) l i j f 幕向人们展示整j 、凄拟的维 t t ：羿。沉浸j = 的j 踣 拟现实系统还要通过汁算机的辅助设备获墩身临其境n 勺沉浸撼。此种系统对 辅助设备的传感器的灵敏性瘿求很高。分厕j j l ：虚拟系统其实足沉浸式系统的 多用户化，它足利用互联网使多，f j 户共用+ 个虚拟的坏境p ”。 、 1 3 虚拟现实技术研究现状 现存各门学科技术的彳：断创新和发展，人们对事物的j 7 解和对信息的观 2 哈尔滨1 。w 人 硕十7 ：付论文 i n1 i ； 察已经1 i 满足于仅仅作为外部们色2 ：获墩，也不再局限j ：采墩仿真技术。人。 们更希魁以：卜人翁的角色身| | f ；】乓境，获得步体的、多感知中扛的视听效果，爿： 能进行交旺操作，以获耳义动态的交互图形显示数据达到对事物和信息更全嘶 的掌握。虚拟现实技术就是这种思想需求f 的产物。这种思想最早可以追溯 到1 9 6 5f f ，i v a ns u t h c r l a n d 莉：终极的l 址i 示 报告i ih 次抛出一j 7 虚拟现。丈 思想。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y 简称：v r ) 。俐最早足幽奖幽j u 利福尼亚家 v p l 公司的创始人j a r o nl a n i e rf 式提出来的，虚拟现实有多种叫法，有学 者称为虚拟环境，也有称其为人j i 一现实或者临场感虚拟叫：境，国内学者钱学 森将j 翻泽为“灵境”技术i “。 虚拟现实技术的研究总体术c 兑，幽外的研究要比吲内丌始的早，也比 内技术成熟，但是近螳年来虚拟现实技术越来越引起幽内科技界的关注以及 国家的蓖视，而且也取得了定成粜。 。 1 3 1 国外的研究现状 从s u t h e r l a n d 提f i j 虚拟世界思想剑j a r o nl , a n i e ri l ij = 提；l j 虚拟现实。洲j 虚拟现实技术伍国外的发展 诞快，尤! 足北荚、欧洲，尔q t j 土l l q x l “。 美国足研究虚拟现实技术时| h j 最早，研究范围最广的目家。现在已经有 一些典型的应用系统，在世界l ：处于领先地位。美国对虚拟现实技术的研究 ； 主要存感知( 视觉、听觉和触。癸：) 、人机界面、后台系统支持和硬件支持四个 方面。 【：世纪八十年代中期，j a i + o ni , a n i e r 和，l h o m a sz i m m c r m a n 等人创建v i ) i 公司从事v r 技术的研究与丌发j 一作，研发了一些虚拟现实的辅助工具：数 据手套卡i i 火蕊式三维显示装俐“，并逐渐建莎了一个完善的虚拟现实系统， 既而币武捉i ；虚拟现。实词。 一i ；这个时期，m i c h a e lm c ( ；r c e v y 领导荚圈n a s a 的a m e n s 研究中一心i ： 作人员刨f 发j 7v i e w ( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n tw o r k s t a t i o n ) 系统的原始 雏形系统。此系统成本低f 嗵“真j ：尖体验”的效果却引起人们商度的关注。此 后该系统装，l ：了头部譬艮踪器、数撕手套等虚拟设备，提供厂语言、手势等交 互操作手段，使v i e w 成为一个真i 卜的虚拟现实系统，l 司时也使它成为第一 个从科研到戍j f l 3 的虚拟现实系统。现今，大多数虚拟系统的硬件体系基本l i n f ；j ：f 舞1 ：f 1 11 人。予：7 i 员f “￥：f 奇：论文 薯；暑互；iii, i 苗；若； 都是 | v i e w 系统发展而来的， l i 此i r 见v i e w 系统杓：虚拟现实技术研究玎 发的过秤中起着举足轻重的f i ：j t ”“。 19 9 2 年，c a r o l i n ac r u z n e i r a 等人建立了大型虚拟现实系统a v l ? ( a r o m a t i cv i r t u a le n v i r o n m e n t ) 。此系统将虚拟现实t 廿：界映射剑房问的四i 自i 墙 壁和天花扳t ，用户霄身于一个沙方体房f h j 内，使体验者； ) c 浸在这个虚拟叫i 境中。f 7 - i l l , - l y t j _ 佩戴一种液f 7 i 光f y j , t 皂镜，h 艮睛的左、，f i 镜片交臀丌、闭几j 以 看到环绕f 身的立体景物，州h 、f 1 i 影响石见房问内的真。火物体。 1 9 9 3 年，美国政府制定j ，i 】q 家信息壁础设施( n a t i o n a li n l b r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r e 简称：n 1 1 ) 行动纲领。在n i l 行动纲领的指导f ，劂络技术和 虚拟现实技术在美国大学校吲。| | 的应用越来越广泛，j 6 多火学都在研究了r 发 校园虚拟系统，比如虚拟校园、虚拟实验窜、虚拟课章、虚拟图书馆等等。 其巾，北p 罗束纳大学计锋机系研发丫 j 二建筑砹汁的虚拟建筑漫游 ( w a l k i n g t h r o u g h ) 系统，用户l 叮以存虚拟的计算机系人楼叶! 漫游”。还有密歇 根大学建立的虚拟实验室，华盛坝大学的人机交互实验。毫，乔治亚理工人学 的g v u 研究中心等等p 。 以上足虚拟现实在美幽的研究情况。欧洲对v r 技术的研究主要从l9 9 0 年以后j 进入切实的研发阶段”。撕凋奄，时虚拟现实i l j 场l ：从事v r 技 术的研发叶i 心有很多其中于1 列f j i l 私的研究中心手安足涎h 、苏格_ ! 、德 国、法i = i 和瑞典。其l l ，英刚仃5 个研发i t ，心，苏格2 个彬f 发t 心，德凼、 法国瑞典箨1 个。这1 0 个研发中心卜要从事以商品化娱乐为j ：的虚拟现实j _ 品。 英困埘虚拟现实技术也有深入的研究1 。其优势存分布并行处理、辅助 设备( 包括触。癸：反馈) 致计和成j 1 1 t l , r l 歹办i f l j ，返在欧洲j ! l l l ：界领域叮以蜕行i ： 是领先的。其中，英i 司的h u i 1 。大学伍v r 技术研究办_ i i j f 丌展r 可视化课题 组。英刚的wi n d u s t r i e s 刀：发机构存i q 际虚拟现实界的研究都孛有名气，陔 机构+ j 二要j l ：发娱乐方晰的虚拟游戏系统。英国u k 高级机器人研究中心成、 ： 了a r r i 。公司，该公司计划建立个系统功能框架，丌展j ，系列的解决火 键技术问题的项目，故置系统演力：项t - 1 ，为部分功能系统结构提供_ u j 行忡分 析n 。两班爿：在虚拟现实技术的研究侧曦奥运体疗竞技卜：乖扩1 皇影 究人贝i - j 虚拟现实测试f 台项目的投资招标，法蚓公州也签并j 此畎h 合l 刊；瑞十j 政 4 喻；j = 演i w 人。顺十“：o 伊论丈 府在2 0 0 0 到2 0 0 3 年，鼓励l 啊校) l ：展信息化建设，建：j 一瑞七虚拟校j 刊”。 苏黎士理工大学针对虚拟现实技术成立的计算机图形实验宅。， _ 二十世纪九十年代后，东南哑各国也积极的- 丌展了虚拟现实技术的研究。 其中，f 1 本、新加坡和韩豳届二：领先地f 带，东南亚的其它n 家以在进行相天 方面的研究。同本对v r 技术的研究侧一匝f 大型的虚拟现灾知识库和虚拟现 实游戏方俪忙哪。比如：科研单 证有尔京大学原岛研究室j 1 ：展了人类面部表情 特征的提耳义、三维结构的判定和二维形状的表示、动念图像的提取这三方l 衙 的研究川：商、比方面，松下m e w 公司、n e c 公司、富 j 通实验摩有限公i 司 等商业前位也丌展了多方面的研究：f 作。韩国的高级科学和技术学院相对 丌展的1 1 , i 1 1 i j 比较短，f f l 墩得的成粜剞比较令人瞩目；新j i i 坡旧人学的系统 科学研究所刈虚拟现实技术的研究足嘶向对象语言。的，这点别： 上特f _ 。 1 3 2 国内的研究现状 闷内对虚拟现实技术的研究起步晚，与一些欧美i 竭家还有一定的差距。 但目日，j v r 技术已引起围内大批的科学家f 作哲的高度天汴，r i 家有父政府 部门也制定了九五计划、围家商技术研究发展计划、因家自然科学基氽会、 国家“8 6 3 ：t 。划”等很多相关虚拟现实技术研究项目1 2 1 1 0 因此，从2 0 世纪8 ( ) 年代起，我刚的许多研究机构和大学都安排丁，有关高。盹能计算机系统、网络 计算、多媒体技术、仿真建模、先进人机接和人工错能等研究课题，并h 取得了世人瞩日的成绩。 北京航审航天大学虚拟现实和先进可视化技术实验窜研究，l ：发j ，个分 布式虚拟现实系统称为分嘶j 虚拟俐络j ：f 境( d v e n i i r ，d i s t r i b u t e dv i r t u a l e n v i r o n m e n tn e tw o r k i n g ) 。这个系统的一卜要目的是使处于不l 一地理位置的多 个人能够在同一个虚拟环境中异地联合设计或一起玩耍打斗等。 杭州火学心理学系研发虚拟“紫禁城”在北京的军事博物馆罩的展示引 起了大批人： 勺关注。体验行5 l 爱戴 二一剐特殊的头蕊，骑l ：一辆特殊的 行车，就- 叮以在虚拟的故寓l j f 瞻d 玎舰后，往返穿行，俯瞰仰察，如m 身l i j 其 境一般i = = 1 。1 9 9 8 年3 月。该实验事义发和) q 紫禁城2 ”，并h 任凶特i 叫上公 丌发靠。使得广大观众都可以利川t 一般的个人计算机，通过w 特嘲在“紫禁 城”内尽兴游览忙”。 吖 匀：j 嶷l ：f f ：i 7 ：n 页 严f 寺论文 i i 浙tj ：大学c a d & c g 剧家熏点实验室j i ：发出了套桌【山虚拟建筑环境实 时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现j ，茈体 视觉，嗣h 寸还提供了方便的交通j ：j ；，使整个系统的。则”陛和l 1 i i 的真实撼 都达剑了较商的水平，另外，他们还研制出，虚拟环境中一种新的快速漫游 算法和科一递进网格的快速坐成算法”。 在“8 6 3 ”项目的支持下，中国科技丌发院威海分院在而向家庭的体视图 像观察硬件力瓶，开展了大祭的研究f i 作，制作m 了一h ：能稳定、价格便。1l ：的 立体n 艮镜弘“。 中团科学院计算技术研究所和哈尔滨二州k 大学讨算机系智能接门实验率 长期从事：三维人脸、人体合成殷其识圳技术的研究，先后得到h 家白然科学 基会、幽家“8 6 3 项目的支持。 北方工业大学c a d 研究巾心和存囡家“8 6 3 ”计划智能汁算机主题的支 持下钳。刈机械和建筑方面， 发j i ，虚拟现实j 粗用系统。 因防科技大学多媒体研究1 1 1 - 已、厅发j 7 名为l i v sn 勺虚拟实景i 钠j 模型系 统，构建了一个能漫游的虚拟空1 1 】j 模型，可以在虚拟场景- ，环视、俯视、仰 视、自才进后退并能进行一些简单的对象操纵。 随着网络教育迅猛发展，尤_ 其是宽带技术将大规模应川的今天，国内一 些高校已经丌始逐步推广、使f | jj 、艟拟校阔模式。先后仃浙il ：人学、卜海交通 大学、北京大学、西南交通大学等著名高校，采用虚拟现实技术建设j ，虚拟 校园。此外，武大、杭州大学、上海大学、西南交通火学、。天津人学等许多 高校相继 展了虚拟场景漫游技术的研究，红视景技术、：l 维蚓彤算法、建 模方法等办1 l i i 都取得了重要成果，并征城l 扣规划与建筑领域得到j ，初步的实 际应用。 二 1 3 3 实际应用中存在的问题 目前，虚拟现实技术处在j l ：拓阶段，还足一门年轻的科学技术，存在茵 很多尚术解决的理论问题和未免服的技术障碍怛。主要有以下几个方面： ( 1 ) 虚拟现实技术中，碰掩枪测算法复杂计算量人，尤其是存建立复杂 的三维虚拟场景时，场景漫游i l 碰掩枪测的实现是一个复杂繁琐的二作。小 文实现的虚拟实验室中采月j 的碰撞榆测算法以相对简练的过程实现相同的：i ： 6 阶，j ：i j fw 人。7 仍! 卜? 伊沦文 作量，解决了这一关键问题。 ( 2 ) f j ，j ，虚拟场景的交了i ：控制已经成为虚拟现实技术的一个难点和热 点。圈内人部分的科研机构平l i 高校实现的虚拟校园漫游系统缺乏交互控制j ： 程。本文实现的虚拟生物实验窀模拟了棚j 电的实验室交曩控制功能。 ( 3 ) 虚拟现实技术在实寸显示科j 实时数据控制订嘶要求f 艇高，但f jd 驴灾 时控制以及远程实时控制已经成了个发展趋势。本文孳了二数掘驱动来自动 控制虚拟实验室的模趟，刘4 这力斯有一定的研究价值和实践意义。 1 4 论文主要研究的内容 本课题总体研究思路是：擀建丌发平台一建立虚拟场景的视区一n ：视 中读入3 d s 复杂模型一纹理映射及光照材质设置一。史现场景碰撞枪测、漫游 一模型动态交互控制一实时凄入文档数掘j ：将数据做备份保存一究成虚拟现 实场景仿真， ( 1 ) 构建丌发平台 此漫游系统是在v c + + 6 0 环境下，利用o p e n g l ，具体实现完成的。存 刀：始虚拟漫游系统之丽需安装v c 十 6 0 并陬! 置o p c n g l ， 发环境。本丈的 所有- ：作都比侄这个环境基础j 二j 艺成的。 ( 2 ) 在m f c 下搭建o p e n g l 。基本椎架 在完成丌发的基础环境下，需在m f c 中构建o p e n g l 的基本框架，这 涉及到o p e n g l 一系列的初始化设置工作及程序结束处理_ l ：作。如：获墩设 备描述农( i ) c ) 并设箭象素格式，拎测j f j 户j ，j 的显示环境：创建荇伊扪述7 i ( r c ) 并使之当日才化；建立视点、启动透视变换：建莎视景体、重载 o n e r a s c b k g n d 函数，以消除。煎绘嘶l f l i 引起的屏幕闪烁；最后释放r c 和i ) ( ： 检查并设霄象素格式和调色板。 ( 3 ) 建专虚拟实验室的王维场景 。 本漫游系统首先要建立一个知! 形的虚拟：i 维场景，发霄场景的整体k 度、 宽度及商度，从而模拟出一个虚拟实验i 场景。这个视lx 也就足人瞅则缭视 区。1 f l ：建髓虚拟场景时，没筠：脱察者( 摄像机) 在场景i | - l 的位置及方向。 ( 4 ) 红虚拟实验室场景。 j 读入3 d s 格式的三维复杂模型 为了实现一些特定的需求，满足史真实丰富的场景，本文利用3 d sm a x l l l l 哈，j ：滨i ：w 人。硕十。子! 何论文 j i l if , il l j i i ；i ；i ；i ；i i ；赢i i i ；i ；i i i ；i i i ； 建立一些复杂的特定模型，将建好的模犁以3 d s 格式导i q ，并在我们已经建 好的虚拟场j 戈视区中读入。通过纹押映时、兆照材质的没胃呵觅。尊；的绘制啪 拟场景。把3 d sm a x 模型应j j j ：o p e n g l 。中，降低j ，o p c n g l ，绘制复杂建 模的难度，办能得到真实荚脱的复杂物体模型。同时，也解决j ，三维建模软 件交? 【控制能力差的缺点。 ( 5 ) j 维物体的真实效粜处理：纹理映射及光照材质设置 本文为了实现虚拟场景的逼真效果，需要特殊的处理：即存场景和横) 弘 上纹理烘图、添加材质和光照效果。纹删贴矧是材质制作的，：五级技术，杓：j 、瞌 拟现实技术应糟中极为广泛。o p e n g l 。为j l ：发者提供j 十hj 、v 的纹删映射接l1 函数，给应用者提供了极火的便利。其原理是以把一组连续的象素点颜伊俩 映射剑三维形体表面。当然，真实的廿 ：界之所以亮丽多彩是因为现实世界叶， 的事物是有光源照射的。有光源就会有镜痨i 反射、漫反射、反射光的折射、 散射等等。光源应用到本系统就地o p c n g l 提供给j 1 发托。的灯) i f ：改胃披i 、再 数。在虚拟场景不同位置和方向设置定点或定向的光源办呵增加虚拟漫游场 景的真实一 ，# 效果。 ( 6 ) 实脱场景碰撞检测、漫游 建i 7 ：受r 场景后，需要模拟人在真实研：境中行走运动这过程，虚拟现实 中称为漫游( w a l k i n g t h r o u g h ) ，即遍历虚拟场景中的每个角落，就如同存现 实世界h 杯的移动过程中前方古墙罐或者物体，目标必然婴停l ：或者返 l j j 。 同样扫! 虚拟场景中也要考虑这情况。红虚拟现实技术i | i j 杯停止或者返川 这样的动作其实就是虚拟现。实技术中的碰撞检测技术。这技术在虚拟现实 技术t ，足很关键的一个技术，它反映了建屯的场景的真实性。 ( 7 ) 虚拟场景中模型的交互弘啸0 本文篮充成的虚拟现实的 3 个天键技术就足虚拟场浆- j l ，l j 父l l t 1 捌 二 术。在奉系统中，模拟漫游系统模型的运动过程需要经过，f 移、旋转、缩放 等图形变换，通过键盘或者鼠标事件的驱动末完成。这个过利是实现三维动 画的关键。 ( 8 ) 实时读入文档数据、对数据做实时的备份处理 在对系统交互控制过程，1 ，实时从外部文档中读入控制数铡，比如对模 型控制的帆度、场景i | | 的参数变化等。以! 接受外部数引的川时实时的将数圳 8 喻尔滨l ：村人一：硕，何涂文 存储起来以箭后期实验数捌观察和研究。这一技术锄：远样遥控领域很有实m ： 意义，比如地面控制平台对太空中i i 船的挖制利用的就是实时的数据传输- j 控制技术。 1 5 论文的组织结构 、 今文j t 篮研究了嬉于虚拟现实技术的漫游系统的研究及实现。存虚拟漫 游系统的实现过程中，采用了多种天键技术：场景建模、多