（信号与信息处理专业论文）虚拟视景系统中的关键技术研究.pdf

两北t 业大学硕七学位论文 摘要 摘要 “虚拟视景系统中的关键技术研究”题目来源于陕西省科技厅的攻关项目， 本研究面向工程应用，设计和开发有较高实用价值的虚拟视景系统平台。论文围 绕虚拟视景系统平台的设计、开发及实现过程而展开，并着重研究了虚拟视景系 统中的关键技术。本文主要研究工作及所取得的研究成果如下： l 基于m f c 和o p e n g l 的软件开发环境，构建了虚拟视景系统平台。该平台 提供虚拟视景的搭建、浏览、存储和图像与视频捕捉等基本功能，并支持对虚拟 场景的交互管理与维护、粒子系统、声音管理等其他多项功能。 2 设计并实现了四种不同的观察视点：手动视点、跟踪视点、环绕视点和外 设( 鼠标、键盘、摇杆和空间三维球) 控制视点。各种观察视点可以灵活交替设 定，它们的联合使用为用户全方位的实时观察仿真进程及虚拟场景提供了便利的 途径。 3 分析并研究了d i 枷o n d s q u a r e 分形算法和读取真实d e m 数据生成地形的方 法，实现了模拟地形和真实地形的三维可视化显示，在此基础之上进行了地形的 漫游和动态修改操作，地形模型的显示和调度实时、形象、逼真。 4 对o p c n g l 的纹理映射技术及原理进行阐述，并摸索出一套合理的纹理映 射方法，在使用过程中实现了对纹理的管理。利用纹理映射技术实现了虚拟场景 中场景和物体的贴图。 5 详细地分析了粒子系统的实现过程，实现了基于粒子系统的特殊效果，把 粒子系统的行为建模和几何建模统一起来，对粒子系统的属性及随机性作了理论 性的分析研究，并对粒子系统进行了参数化设计和实时绘制。 随着软件功能的发展和完善，“虚拟视景系统平台”可被广泛的应用于城市规 划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。 关键字：o p e n g l ，场景图，纹理映射，粒子系统，碰撞检测 曲北丁业大学硕十学能论文 摘要 a b s t r a c t r e s e a r c ho nk e yt e c l l t l o l o g y 缸v i r t i l a ls c e n es y s t c mi sa i li n n 0 v a t i o np r o j e c to f s h a a n x ip r o “n c es c i e n c e 锄dt e c h n o l o g yg o v e r n m e md e p a n m e m t h j sr e s e a r c ha i m e d a tt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n ，d e s i g n e d 粕dd c v e i o p e dav i n l l a ls c e n es y s t e mp l a t f 0 衄 w l i c hh 勰l l i 曲e rp 嘞c t i c a lv a l u c 1 1 l i sp a p e fd e v e l o p s 她mt l l ep r o c e s so nd e s i 融 d e v e l o p m e n ta n d 删i z a t i o no ft h e ”v i m m ls c e ms y s t e mp l a t f b 姗”，a n di t s m a i n r e s e a i c hw o r ka n dr b s u l t sa r ea sf b l l o w s ： 1 t 1 l ev i n i l a ls c e n es y s 把mp l a t f o 姐i sas o f t w a r ed e v e l o p m e n te f i r o m e n tb a s e d o nm f ca n do p e n g l ，i t sm a mf u n n i o n 妇舳d e sc o n 咖c t i n g ，b r o w s i i 喀，9 0 d r a g e ，a n d o m p 砌n gp i c t u r c sa n dv i d e o so ft h ev i r n | r a ls c e n c hp r o v i d e st h em a i l a g e m e n ta n d m a i r 恤n a n c eo ft l l e “n 1 姐ls c e n e ，p a n i c l es y s 蛔m ，s o m l dm a n a g e m e n t ，a n do n l e r f u n c t i o n s 2 d e s i g n e d 锄dr e a l i z e df o i l rd i 虢r a 毗v i e w p o i n t s ：m a l l u a l ，f o l l o w ，s p i n ，k e y b o a r d & r o k c t e a c hv i e w p o i mc a i lb es e t c c du pe a s y l y 锄da l 钯l m t e l y ，a n dt h e i f 蛳t yw o f k m a k e sc o i l s l l n l e rd b s e i n gm es i m u l a t i n gp r o c e s s 觚dv i n i 】a ls c e n e0 l n m d i r e c t i o i l a l l y e 雒y e l 3 a 尬l y z e da n ds t u d i e dd “l m o n d - s q u a r e 矗a c t a ia l g o r i t l l i na n dt h em e t h o d s0 f c o 璐仃1 l c t i n gt e m i nb yr e a d i l 培n l er e a ld e md a 诅，r e a l i z e dm ev i s u a l i z a t i o no fm e s i m u l a t i n ga n dr e a lt e m i n ，a n dc a r r y e do u tt h er o a m i n ga n dm o d i 匆i n go ft h et e r r a i n 1 1 l e 蜘a i nm o d e l sd i s p l a y i n ga n dd i s p a t c h i i l gi si e a l t i m e 锄dl i f e l i k e ， 4 d e m o n s t r a t e dt h et c c h n o l o g ) r 觚dm e o r ) ，o f1 h et e x n l r em 印p i n g ，e s t a b l i s h e da r e 嬲o n a b l em e 也o do ft c x 眦m a p p i n g ，锄dr e a l i z e dt h em 锄g e m e mo ft e x t u r ei n 璐e u t i l i z e dt t l et e c h n o l o g yt or e a l i z et h et c x t u r em a p p i r l go ft h es c e n e 舡l do b j e c ti n 也e v i r i l l a ls c e n e 5 d e t a i l e d l ya i l a l y z e dt h ep r o c e s so fr e a l i z i n gp a n i c l es y s t e m ，r c a l i z e d 恤s p e c i a l e 舵c tb a s e do np a t t i c l es y s t e m ，嘶f l e dt h ep a n i c l es y s t c mb e h a v i o rm o d e la i l dm c g e o m e 缸ym o d e l ，柚dm a d en 圮o r e t i c a l 触a l y s l so n t h er 跹d o m m s s 锄dp 越a m 呶埔z a t i o n d e s i g no f t h ep a r c i c l es y s t e m a l o n g 谢mt l l ed e v e l o p m e n t 龇1 dt h cc o r i s u m m a t i o no fs o f h v a f e l n c t i o n ，t h e v i m l a ls c e n cs i m u l a t i o np l 撕b 咖m a y b ew i d e i y 璐e di i lt h e 瑚b a np l 砌n g ，t l i er o o m d e s i 印，n 他m d 懈t r ys i i i l l l l a t i o n m e1 l i s t o r i c a ls 沁r e c o v c 体，蜥电e 枷r o a dd e s i g i l ，a i l d 西北工业大学硕士学仿论文 摘要 m i l i 伽ys i m u l a t i o n ，t l l ca p p e a m c co ft i l ev i n i l a ls c c s i m u l a t i o np l 砒f o 姗谢np o l l r t h e w v i g o r i n t om ed e v e l o p i n g v r 砌l l s 吼 k e y w o r d ：o p g l ，s c e n eg r a p h ，1 奴t l i 弹m a p p i n g ，p a r t 主c i es y s t m ，e o l l i s i d e t e c t i o n m 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文下作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可猷采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单忙为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：避 k 1 年戽月2 日 ) 川年4 月弓日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所吊交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究t 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包古本人或其他已申请学位或其他用途使片 过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与瓷料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：壹：i ! 聋 廿i ) 厶0 年4 月1 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，又称为“灵境技术”，是一种可以创 建和体验虚拟世界( v i r t u a lw o r l d ) 的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境 ( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的， 通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。 虚拟现实技术的三个基本特征，即：i 咖e r s i o n i n t e r a c t i o n i l a g i n a t i o n ( 沉浸一 交互一构思) “1 。 虚拟现实自诞生以来，就在航空、航天、核工业、军事及其它行业中发挥着不 可替代的作用，其与多媒体、网络并称为前景最好的计算机技术。视景仿真技术正 是虚拟现实技术中最为前沿的应用领域，随着各项技术的发展和计算机图形处理 功能的增强，视景仿真技术真正突破了纯数字化的交互方式，实现了以图文并茂、 生动形象为特点的，并使人有身临其境之感的和谐的人机交互环境，被认为是2 1 世纪可能使社会发生巨大改变的几个关键技术之一。 1 1 虚拟视景技术研究的目的和意义 虚拟视景技术( v i r t u a ls c e n et e c h n o l o g y ) 是计算机仿真技术的重要分支， 是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技 术等诸多高新技术的综合运用，其组成部分主要包括仿真建模技术、动画仿真技 术和实时视景生成技术。目前国内虚拟视景技术市场尚未大幅开发，应用最多的 行业是国防科研院所、部队等，但是在军方的市场也还是刚刚起步。美国早在叙 利亚战争、海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争中将此技术应用到战争之中，舰 载及阵地的精确制导武器的使用都是在经过精确的反复模拟和演练的基础上实施 的，大规模的作战训练都需要在分布式交互以及高层次体系结构的计算机系统中 进行，这样既节约了军费开支又解决了和平年代的联合作战训练问题。从总体趋 势上看，虚拟视景仿真技术不仅将要在教育培训、工程设计、娱乐咨询、信息服 务与管理、大众媒体传播等方面得到广泛的应用，而且正以其直观、形象、简便、 符合人们思维习惯的优势进入军事训练、航天飞行、武器对抗、战术战法研究等 科研领域。 目前还没有一套十分完善的虚拟视景仿真软件具有适用性强、操作简单、功 能强大、高度可视化、所见即所得的功能。本课题针对虚拟视景仿真技术的发展 西北1 ：业大学硕十学位论文 第一章绪论 和其广阔的应用前景对虚拟视景系统的中关键技术作深入的研究，旨在建立一个 集实用性、易用性于一体的虚拟视景系统平台，该平台最主要的功能是搭建一个 逼真的虚拟自然环境，可以广泛应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复 原、军事模拟等行业。 1 2 虚拟视景技术的发展 数字仿真技术出现伊始，仿真结果是以字符方式输出的，这是一种最基本的 输出形式。随着计算机图形图像技术的发展，出现了可视化仿真技术并已得到了 比较广泛的应用。可视化仿真将数据结果转换为图形或动画方式，使仿真结果可 视化并具有直观性。多媒体仿真通过将仿真所产生的信息和数据转换成为可被感 受的场景、图示和过程，它充分利用文本、图形、二维三维动画、影像和声音等 多媒体手段，将可视化、临场感、交互、激发想象结合到一起产生一种沉浸感， 使仿真中的人机交互方式向自然更靠近了一步。虚拟现实技术则是在综合计算机 图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科技术的基础上发展 起来的，是九十年代计算机领域的最新技术之一。它以仿真的形式给用户创造一 个反映实体对象变化与相互作用的三维图形环境，通过头盔显示器、数掘手套等 辅助传感设备，使人可以“进入”这种虚拟的环境直接观察事物的内在变化，并 与事物发生相互作用，给人一种“身临其境”的真实感“。 可视化仿真技术的目标是把由数值计算或实验获得的大量数据按照其自身的 物理背景进行有机的结合，用图像的方式来展示数据所表现的内容和相互关系， 便于把握过程的整体演进，发现其内在规律，丰富科学研究的途径，缩短研究周 期。可视化仿真就是将数据结果转换为图形或动画形式，使仿真结果可视化并具 有直观性。 多媒体仿真技术是指计算机综合处理各种媒体信息，包括文字、图形、动画、 图像、声音、视频等，在各种信息间建立逻辑连接，并集成一个有交互功能的多 媒体系统。多媒体的本质不仅是信息的集成，而且也是设备和软件的集成，并通 过逻辑连接形成一个有机整体，又可实现交互控制，所以说数字化、集成性和交 互性是多媒体的核心1 4 】。 虚拟现实技术是指计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是投入到 这个环境中去，让用户在人工合成的环境里获得“进入角色”的体验。虚拟现实 技术的主要内容是：实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高分辨显 示技术。在“需求牵引”和“技术推动”下，近年来虚拟现实已经取得的一些技 2 西北工业大学硕七学位论文 第一章绪论 术成果，并已集成了一些很有实用前景的应用系统，并且智能虚拟世界也在不断 地发展。 视景仿真技术是虚拟现实技术中重要的一部分，它与虚拟现实技术唯一的区 别就是交互方式。虚拟现实技术是通过头盔显示器、数据手套等多传感器辅助设 备交互，而视景仿真技术主要通过显示器、键盘和鼠标完成交互。视景仿真系统 模拟人的视觉和听觉所能观察到或希望观察到的事物( 景物) 进行抽象，并建立 基于场景空间下的坐标系对事物用多边形面元加以描述，从而形成三维场景数据 库；依此为基础，根据观察点所在的位置与姿态，通过坐标变换和投影变换将计 算机生成的景象显示在某种二维介质( 如c r t 显示器) 上。 1 3 虚拟视景技术的国内外研究现状 美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个 方面。美国宇航局( n a s a ) 研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，他们大量 运用了面向座舱的飞行模拟技术。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机系开发了。，卜帮 助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统。麻省理工学院m i t ) 1 9 8 5 年成立了媒体实验室，建立了一个名叫b o l i o 的测试环境，用于进行不同图形仿 真技术的实验。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室( h i tl a b ) 进行 感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。d a v es i m s 等人研制出虚拟现实撤退模 型来观看系统如何运作。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作 的分布式虚拟实现系统，不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实 时协作进行设计。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系 统。美国加州m o n t e r y 的海军研究生院n p s 可视化实验室( v i s l a b ) 在航行器的虚 拟环境和仿真方面进行了大量的工作。旨在实现以i e e e 分布式交互仿真( d i s ) 网络协议支持下的航行器三维实时可视化仿真与虚拟环境。美国 w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地的“3 d 图像和计算机图形实验室”是在s g l 4 d 4 0 0 工 作站上建立了空间卫星的虚拟环境来仿真近地空间和描述3 d 图形卫星模型环绕 地球轨道的运行状态，使得仿真者对仿真对象信息的把握更加充分。 德国d a m a s t a d t 的f r a u n h o f e r 计算机图形学研究所开发一种名为“虚拟设计” 的组合工具，可使得图像伴随声音实时显示。德国国家数学与计算机研究中心( g m d ) 专门成立了一个部门，研究虚拟现实表演，冲突检测，装订在箱子中的物体的移 动，高速变换以及运动控制。英国的b r i s t 0 1 有限公司发现虚拟现实应用的焦点 应该集中在软件与整体综合技术上，该公司将v i z 分成三大类别：实际环境检测、 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 虚拟环境控制、虚拟环境显示。英国的l e i c e s t e r 市的w 产业生产出虚拟现实游 戏机。游戏者使用操纵杆通过屏幕进行对抗演习，参加对抗演习的虚拟物体和交 战人员与虚拟物进行空战，当有多个人共同参与游戏时，参加游戏的人还可以与 虚拟物合成。 日本是当前实用虚拟现实技术的研究与开发领先的国家之一，主要致力于建 立大规模虚拟现实知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多 工作。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界 面。京都的先进电子通信研究所( a t r ) 系统研究实验室的开发者们正在开发一套系 统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。东京大学 的广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化闯题，现在已经有了四项成果：一个类 似c a v e 的系统、用h m d 在建筑群中漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器。 我国和一些发达国家相比在该领域还有一定的差距。我国的九五规划、国家 自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把虚拟环境仿真列入了研究项目。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的单位之一， 他们着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接 口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环 境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提 供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实 应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。浙江大学c a d c g 国家 重点实验室开发出了一套桌面型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，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具， 使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。清华大学计算机科学 和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，他们还针对室内环境水平特征 丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致 性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。西安交通大学信息 工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类 视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压 缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。 北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，关于虚 拟现实的研究已经完成了两个“8 6 3 ”项目。空军指挥学院进行的“空战可视化仿 真系统”研究，为用户提供了一个从多视点、多角度、多层次观察空战进程的平 台和机制，其画面造型逼真、形象生动，基本达到了实时性要求，取得了的效果。 西北工业大学c a d c a f 研究中心，上海交通大学图像处理及模式识别研究所，长 4 两北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程 与信息科学系等单位也进行了一些重要研究工作和尝试。 1 4 本论文的结构 一个系统的研制过程由需求分析、方案论证、系统开发、调试及其结果分析 四部分组成。虚拟视景系统平台的研制过程也不例外，本文就按此过程安排各章 节的工作： 第一章阐述了虚拟视景技术研究的目的和意义及虚拟视景技术的国内外研究 现状，提出了本论文的研究目的和任务要求。 第二章介绍虚拟视景系统的总体功能和组成结构，从开发环境和开发工具的 选取进行方案论证，最后给出了系统的总体设计和工作方式。 第三章论述虚拟视景系统平台的总体实现。首先简单介绍了系统的开发工具 o p e n g l ，进而阐述了虚拟视景系统平台的组织和管理，然后以系统功能模块为单 位论述了软件的设计和实现。 第四章重点研究虚拟视景系统中的关键技术，即地形模拟、纹理映射、粒子 系统和碰撞检测技术的研究和应用。 第五章介绍虚拟视景系统平台的软件界面，通过虚拟仿真结果验证该系统功 能的完备性和设计的正确性。 最后是结束语，给出全文总结，说明了本文所作的主要贡献并指出有待进_ 步研究的工作。 西北t 业大学硕十学位论文 第二章总体架构 第二章虚拟视景系统平台的总体架构 一个基本的虚拟视景系统平台，首先要实现场景的建立、场景的漫游控制和 场景的记录与回放。场景建立包括多个方面，主要是场景的众多元素的实现和管 理，如各种模型( 含地形) 、纹理、灯光、环境和特效等。场景漫游控制应该适应 用户需求而灵活多变，如跟踪、环绕、路径漫游和外部设备( 鼠标、空间运动控 制器) 控制等。场景记录与回放可以把用户的操作结果以图片、视频( a v i ) 或者 脚本文件的方式存储起来。同时虚拟视景系统平台应该是个可扩展的软件框架， 系统中各个子模块应该相互独立，并可独立扩展。 2 1 虚拟视景系统平台的总体功能 所谓虚拟视景系统平台，表明其在功能上支持某些方面的应用，但并不依赖 于具体的应用而存在。虚拟视景系统平台应该具备一般面向大众的产品设计和展 示功能，能够载入用户自己设计的三维模型，同时提供各种各样的灯光、道具等 方便用搭建自己的“舞台”，能够提供基本的控制能力，结合各种特殊效果让用户 沉浸于自己的“舞台”，“导演”自己的“舞台”。所以平台应该具备有以下几个功 能： 1 三维模型的调用和简单修改。在平台系统中，能够调入用户建立的三维模 型，并通过键盘、鼠标相应地对模型实行一系列的操作( 包括对模型的位移、缩放、 旋转等) 。 2 三维地形生成。系统中采用随机高程的方法产生模拟地形，利用纹理映射 技术提高逼真度。同时留有d 跏( 数字高层模型) 数据格式三维地形接口，方便用 户建立真实的三维地形。 3 天空模型。系统采用“盒子”的方法来实现了几种常用的天空，如草原、 沙漠、大海、多云天气等，用户可以根据自己的需要载入自己的天空纹理和控制 “盒子”尺寸。 4 光照设计。包括点光源，方向光源，将光源的四种组成参数化，灵活多变。 5 特殊效果。主要指利用循环纹理映射技术和粒子系统实现的一些自然现 象，如烟雾、雨雪、火焰、爆炸和闪电等。 6 网络接口。针对不同的用途，留有网络接口，其主要是接收相应的网络数 据，对实物进行相应的仿真。例如无人机飞行训练的仿真，则可以通过这个平台 6 两北工业大学硕士学位论文第二章总体架构 调入无人机模型，设置好相应的飞行环境等，网络上的其他计算机进行数学模型 的解算，平台通过网络接口接收无人机相应的位置、角度等相应数据来模拟仿真。 7 外部数据对场景中对象的实时驱动。实现视景系统的动画生成，以后的扩 充只需更改外部数据产生模块，即可实现对不同领域视景系统的二次开发。 8 多视点的设置和观察。现阶段，单一的固定视点和绑定视点已不能完全满 足用户的要求，在视点设计中，增加了环绕( 可环绕静态或者动态物体) 、路径漫 游和外部设备( 鼠标、三维球) 控制视点的功能，从不同的角度来观察平台中建 立的场景。 9 场景的存储和保存。 1 0 碰撞检测。碰撞检测是每一个视景系统平台所必须具备的，本系统主要有 两个方面：物体与地表的匹配检测和物体与物体的碰撞检测。 图2 1 虚拟视景系统平台的各功能模块关系 2 2 虚拟视景系统平台的组成结构 依据系统可分性，我们将一个实际的大系统自顶向下逐次分解为不同层次的 若干功能模块，即子系统、组件和功能独立的基本部件模块，由此形成一个倒挂 的树状结构。组成系统的基本模块( 予模块) 也称为基本模型。基本模块处于系 统的最底层，具有相对的独立性和可重用性；中间各层模块( 枝模型) 表示组合 模型，由基本模块或比它低的下层模块搭配而成：顶层模块( 根模型) 就是系统 模型。这种依据系统可分性形成的模型层次结构的建模方法称为模块化建模，具 有实用性强、直接面向领域工程师的优点。 虚拟视景系统顶层模块划分见图2 2 所示： 西北工业大学硕士学位论文第二章总体絮构 图2 2 视景系统的模块划分 2 3 虚拟视景系统平台方案论证 虚拟视景系统平台针对的是普通用户，通用性、实用性和易用性是其最基本 的要求。目前w i n d o w sx p 操作系统已成为p c 机窗口平台事实上的工业标准，视 景系统平台的开发选用w i n d o w sx p 操作系统有利于实现它的通用性。 2 3 1 软件开发环境的选择 本系统采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a l c + + 6 0 作为开发平台，使用o p e n g l 作 为三维引擎，d i r e c t s o u n d 作为音效设计引擎，d i r e c t i n p u t 作为外设输入引擎， 结合c r e a t o r 和3 dm a x 三维建模软件，综合设计而成。 一v i s u a lc + + 概述 v c 是m i c r o s o f t 开发套件中功能强大的可视化面向对象的语言开发工具，是 一个w i n 3 2 应用程序的集成开发环境，它采用消息响应机制，具有强大的窗口管 理机制和菜单功能，在人机交互方面具有其它语言所无法比拟的优点“m 。 v i s u a lc + + 6 o 编译器具有很优秀的兼容性，它不仅支持a n s i 标准c ，c + + ， 而且还支持微软的扩展c 、c + + ，以及u n i x 的c 、c + + ，是w i n d o w s9 x 上操作最方 便，功能最强大的c 和c + + 编译平台。 v i s u a lc + + 6 0 还有以下特点： r 两北1 = 业大学硕十学位论文第二章总体架构 1 v i s u a lc + + 6 o 集成开发环境( i d e ) v i s u a lc 抖6 o 开发环境d e v e l o p e rs t u d i o 是由w i n 3 2 环境下运行的一套 集成开发工具所组成，包括文本编辑器( t e x te d i t o r ) 、资源编辑器( r e s o u r c e e d i t o r ) 、项目建立工具( p r o j e c tb u i l df a c i l i t i e s ) 、优化编译器( 0 p t i m i z i n g c o m p i l e r ) 、增量连接器( i n c r e m e n t a ll i n k e r ) 、源代码浏览器( s o u r c ec o d e b r o w s e r ) 及集成调试器( i n t e g r a t e dd e b u g g e r ) 等。 2 使用向导( w i z a r d ) 计算机辅助应用程序设计 在v i s u a lc + + 6 0 中可以使用各种向导( w i z a r d s ) 、m f c 类库( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 和活动模板库( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y 简称a t l ) 来开发w i n d o w s 应用程序，向导实质上是一种计算机辅助程序设计工具，用于帮 助用户自动生成各种不同类型的基本框架。 3 方便编程的集成数据库访问 v i s u a lc + 十6 o 允许用户建立强有力的数据库应用程序：可以使用o d b c 类( 开 放数据库) 和高性能的3 2 位o d b c 驱动程序来访问各种数据库管理系统如v i s u a l f o x p r o6 0 、a c c e s ss q ls e v e r 等可以使用d a 0 类( 数据访问对象) 通过编程语言 来访问和操纵数据库中的数据并管理数据库的对象与结构。 2 3 2 三维编程接口( a p i ) 的选取 开发“虚拟视景系统平台”，决定采用何种编程接口( a p i ) 是三维应用程序开 发的重要环节，业界现有多种不同的3 da p i 标准，它们各有特点，互有长短， d i r e c t 3 d ：m i c r o s o f t 推出的d i r e c t x 开发包中的3 d 图形组件，是微软公司 于1 9 9 6 年位p c 开发的a p i ，与w i n d o w s 9 5 、w i n d o w sn t 操作系统的兼容性好，可 以绕过图形显示接口( g d i ) 直接进行支持a p i 的各种硬件的底层操作，大大提高 游戏的运行速度，是一系列高层与低层a p i 的组合。但其移植性比较差，考虑到 与各方面的兼容性，用起来比较麻烦，执行效率上也未见得最优。 3 dg 1 i d e ：其主要是同3 d 显卡t n t 系列结合。由于与硬件的结合紧密，其执 行效率比d i r e c t 3 d 及0 p e n g l 要高。但其可移植性比较差，况且只能用在t n t 系 列显卡上，所以应用较少。 o p e n g l ：0 p e n g l 最初用于高端的图形工作站，后来其接口与功能得到了发展， 并走向其他平台，如m sw i n d o w s 、xw i n d o w 、o s 2 和m a co s 等。 o p e n g l 是由s g i 公司开发的i r i sg l 演变而来的复杂的3 d 图形设计的标准应 用程序接口。它的特点是可以在不同平台之间进行移植，还可以在客户机服务器 系统中工作，效率也要比d i r e c t 3 d 高。0 p e n g l 提供一系列的三维图形单元与图形 囔 两北t 业大学硕士学位论文 第二章总体架构 变换函数供开发者调用，同时0 p e n g l 还提供一系列的外部设备访问函数，使开发 者可以方便地访问鼠标、键盘、空间球、数据手套等。o p e n g l 是一种设计良好的 低层的3 da p i ，其运行平台最为广泛，为了获得高质量的三维图形效果以及便于 编程考虑，本文采用0 p e n g l 作为开发视景系统平台的三维图形a p i 。 2 3 3 三维物体几何建模技术和工具的选择 建模是通过获取真实环境的各种数据，然后根据应用的需要，利用这些数据 生成相应的虚拟模型。虚拟仿真环境的建模包括虚拟对象物体的几何建模、物理 建模和运动建模。本文中，主要涉及到对象物体的几何建模。 三维物体的几何建模描述了虚拟物体的三维造型( 多边形、三角形和顶点) 以及外观( 纹理、表面反射系数、颜色等) 。虚拟物体的三维造型可以借助于特殊 的软件生成模型。 早期的方法是在仿真程序中完成几何建模，借助0 p e n g l 丰富的图形处理功能， 结合计算机图形学成熟的b e z i e r 、n u r b s 等样条曲面理论设计完成。后来出现了 仿真程序和特定的建模工具交互地建立，先使用传统的c a d 软件( 如i d e a s 、a u t o c a d 或3 ds t u d i om a ) 【) 进行绘制，然后导出为3 d s 文件，最后将3 d s 文件转换成o p e n g l 可用的显示列表，在需要显示时调用显示列表即可经过一定的图形格式转换调入 到仿真环境中，形成仿真系统中的实体。 上述方法要花费大量的工作时间，且其建模过程的可见性和可操作性较差。 这些不足促使了专业建模工具软件的迅速发展，模型建造完毕后可直接调入程序 使用，完成了仿真系统和建模工具的直接交互。在虚拟视景仿真方面凸现出两种 专业的建模软件，m u l t i g e nc r e a t o r 和3 ds t u d i om a x 。 3 ds t u d i o 是a u t o d e s k 公司开发的一套用于微机上的制作动画及模型的应用 软件。文件格式是3 d s 格式，该软件非常强大，许多精美的电影动画以及制作精 良的广告产品都是由该软件制作完成的。m u l t i g e nc r e a t o r 系列软件是美国 m u l t i g e n p a r a d ig i i i 公司新一代实时仿真建模软件，它在满足实时性的前提下生成 面向仿真的、逼真性好的大面积场景。它可为二十五种之多的不同类型的图像发 生器提供建模系统及工具，它的0 p e nf 1 i g h t 格式在实时三维领域成为最流行的 模型格式，并成为仿真领域的行业标准0 1 。 2 4 虚拟视景系统平台的总体设计 虚拟视景系统平台的主要功能包括三维物体的真实感显示、三维场景管理、 l o 两北工业大学硕士学位论文 第二章总体架构 声音管理、地形调度、对象交互及实时对象维护等。从软件运行的结构方面来看， 虚拟视景系统平台的场景显示和设置是虚拟视景系统平台的核心部分，此外，虚 拟视景系统平台还应该包括以下几个相应的组成部分： 1 数据的表示：基于场景图的虚拟场景核心数据的表示和管理。它定义虚拟 场景的结构、以及各种数据、状态的组织和管理方式，提供了基本绘制元素的命 令和对场景数据进行访问的各种基本操作。 2 文件i o 组件：读取虚拟场景所需的各种文件数据，虚拟视景系统平台能 够读取包括文本、图像、声音及三维模型文件等，并支持文件的输出。 3 用户接口：面向用户应用，提供面向对象的用户接口，能够将用户的一些 简单指令交给平台处理。 4 内存管理：虚拟视景系统平台运行过程中对内存的访闯、主要是内存的申 请和释放。 2 4 1 虚拟视景系统平台的信息交互 虚拟视景系统平台的主要任务不仅仅是虚拟场景的真实感显示，还包括场景 搭建后的仿真过程。这个仿真过程可以是简单的场景漫游，也可以是数据或者网 络结点驱动的事件仿真。每个模块间具有复杂的逻辑关系，下面对其一些主要模 块之间的信息交互关系予以阐述。 1 虚拟视景系统应用程序共产生两个线程：主线程和辅助线程。辅助线程为 场景演示线程。考虑到场景演示运算量较大，故采用单独线程完成。其中辅助残 程控制函数嵌入在文档类中，以协调几个线程之间的同步问题。 2 程序的人机交互由w i n d o w s 接受键盘鼠标输入，然后发w i n d o w s 消息到 主线程中实现其功能调用。主线程通过全局变量来传递信息到场景演示线程。为 了保证应用程序能够及时响应主线程的w i n d o w s 消息，辅助线程设计比主线程要 低一个优先级。 3 主线程首先负责场景参数设定，决定何时开启视景演示线程；演示线程开 启后，负责场景参数的更新；同时，管理网络结点的数据接收，负责网络平台的 构建和信息交互。 4 主线程需要退出时，向视景演示线程发出申请。当辅助线程退出后，主线 程获得消息，结束进程。 虚拟视景系统的信息交互流程如图2 3 所示： l l 两北t 业大学硕士学伊论文 第二章总体架构 图2 3 虚拟视景系统信息交互流程图 2 4 2 虚拟视景系统平台两种工作方式 根据虚拟视景系统的功能要求和软件设计，本平台主要采用两种工作方式： 联网运行和单机运行。不同的运行模式有不同的程序流程。 1 单机运行时程序流程 图2 4 单机时的流程图 如图2 4 所示，它的基本流程为：主线程先执行，进行各个模型( 模块) 的 设置，对场景进行初步搭建。然后开启视景显示线程，同时场景参数根据用户规 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章总体架构 则更新，并通知场景刷新模块刷新场景。 2 联网运行时程序的流程 一模型1 节 一模犁2 节 一模犁3 节 一模型4 节 一模型5 节 图2 5 联网时的流程图 联网运行时相比单机模式多了网络模块，它的主要功能是进行场景参数变更。 如图2 5 所示：它的基本流程为：主线程执行，进入场景参数模块，场景搭建结 束，开启场景显示线程，同时主线程进行场景参数的不断变更以控制场景的绘制。 用户可以在主循环退出之前可以接收来自局域网的数据，数据经过同步处理之后 进入场景更新模块最终驱动场景绘制。如果收到数据，则判断线程同步标记是否 为0 ，若是置其为1 ，进行数据传输( 辅助线程到主程序文档结构体数据传输) ， 传输完毕线程同步标记还原为0 。主线程进行数据条件判断( 即是否该仿真节点数 据值都己具备) ，若满足，判断线程同步标记是否为0 ，若否，则等待，若是则将 其置为2 ，进行数据传输( 文档类中数据传输到视图类中) ，传输完毕，则线程同 步标记还原为o 。 2 5 本章小结 本章主要讲述虚拟视景系统平台的基本功能和各功能模块之间的关系，依据 系统可分性，采用自顶向下的设计方法将系统拆分为若干子系统，给出了倒挂树 形结构的系统组成框图。根据虚拟视景系统平台通用性、实用性、易用性的基本 要求和它的功能分析，对虚拟视景系统平台的开发环境进行了选择，并讨论了它 的设计方案和工作流程。 西北丁业大学硕士学位论文第二章系统实现 第三章虚拟视景系统平台的系统实现 在讨论了系统的总体构架和应完成的功能的基础之上，根据软件的设计方案， 本章将在介绍o p e n g l 的基础上，重点对系统具体功能的实现进行详细的探讨和研 究。其中一些关键技术将在第四章阐述。 3 10 p e n g l 简介町“町 o p e n g l 即开放性图形库( o p e ng r a p h i cl i b r a r y ) ，是由s g i 开发的一套高性 能图形软件处理系统，是图形硬件的软件界面。o p e n g l 作为一个性能优越的图形 应用程序设计界面( a p i ) ，适用于广泛的计算机环境。从个人计算机到工作站和 超级计算机，o p e n g l 都能实现高性能的三维图形功能。o p e n g l 被严格定义为“一 种到图形硬件的软件接口”。从本质上说，它是一个完全可移植并且速度很快的3 d 图形和建模库。使用0 p e n g l ，你可以创建视觉质量接近射线跟踪程序的精致漂亮 的3 d 图形。 3 1 10 p e n g l 的基本操作 作为一个底层的三维图形的a p i ，o p e n g l 提供了以下的基本操作： 1 绘制物体。真实世界和各种物体都可以在计算机中用简单的点、线、面来 描述。0 p e n g l 提供了丰富的图形绘制命令，从而可以方便地绘制物体。0 p e n g l 图 形库除了提供基本的点、线、面的绘制函数以外，还提供复杂的三维物体以及复 杂的曲线和曲面( 如b e z i e r 、n u r b s 等曲线或曲面) 绘制函数。 2 变换。可以说无论多复杂的图形都是由基本图元组成并经过一系列的变换 来实现的。o p e n g l 提供了一系列的基本变换，如取景变换、模型变换、投影变换 及视图变换。其变换有利于减少算法的运行时间，提高三维图形的实现速度。 3 光照和材质设置。正如在自然界一样，绘制有真实感的三维物体必须经过 光照处理。0 p e n g l 光具有辐射光( e m i t t e dl i g h t )