（信号与信息处理专业论文）基于opengl的虚拟视景仿真平台开发.pdf

两：i g a i 业大学硕l 学位论文摘要 摘要 “基于o p e n g l 的虚拟视景仿真平台”的研究、丌发及应用是学校研究生院 的一项创新种子基金。本研究面向工程应用，设计和丌发有较高实用价值的虚拟 视景仿真平台。本论文围绕“基于o p e n g l 的虚拟视景仿真平台”的设计、开发 及实现过程而展开，本文主要研究工作及所取得的研究成果如下： i 基于m f c 和o p e n g l 的软件开发环境，实现了虚拟视景仿真平台。该平 台主要功能包括：虚拟环境的管理、维护和虚拟场景的逼真显示等功能，提供实 现对对象的管理，如真实感图形显示、三维场景管理、声音管理、地形调度、粒 子系统、网络接口连接、实现对对象的交互及实时对象维护等功能。 2 分析并研究了d i a m o n d s q u a r e 分形算法生成随机的地形模型；分析并研究 了读取真实地形数据建造地形的方法，生成了真实的地形模型。用以上两种方法 实现了地形的漫游、飞行浏览、多角度观测和动态实时显示，地形模型显示及调 度达到了实时、形象、逼真。 3 设计并实现了多视点、多角度、全方位的实时视点观测方法，并建立了一 整套随任意控制视点进行局部或全局的观测场景的方法。为用户进行微观和宏观 观察仿真进程及虚拟视景提供了便利的途径。 4 设计了基于粒子系统的特殊效果，把粒子系统的行为模型和几何模型统一 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。 5 对o p e 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。 随着软件功能的发展和完善“基于o p e n g l 的虚拟视景仿真平台”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、军事仿真 等玎业。 关键字：视景仿真场景图o p e n g l 纹理映射粒子系统 西北t 业大学砸扛学位睑文 摘要 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ev i r t u a ls c e n es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do no p e n g li sa n i n n o v a t i o np r o j e c ti ng r a d u a t es c h 0 0 1 t h i sr e s e a r c ha i m e da tt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n ， u s e dt h em o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s i m u l a t e dt h ev i r t u a ls c e n es i m u l a t i o n p l a t f o r mh a dt h eh i g hp r a c t i c a lv a l u e ，p r o d u c e dt h ew a yo fr e a l i z i n gt h ee n t i r es y s t e m a n dt h ef u n c t i o nt h es c e n es i m u l a t i o np l a t f o r mh a s t h i sp a p e rd e v e l o p sw i t ht h e d e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o no ft h e ”v i r t u a ls c e n es i m u l a t i o np l a t f o r m ”，a n d i t sm a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o t l o w s ： 1 t h ev i r t u a ls c e n es i m u l a t i o np l a t f o r mi sa ns o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t b a s e do nm f ca n do p e n g l ，i t sm a i nf u n c t i o n i n c l u d e st h em a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c eo ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n t ，t h el i f e l i k e d i s p l a y i n go ft h ev i r t u a l e n v i r o n m e n t ，p r o v i d e s t h e m a n a g e m e n t o ft h er e a l i z e d o b j e c t ，s u c h a s t h r e e - d i m e n s i o n a lb o d yd e m o n s t r a t i o n ，t h r e ed i m e n s i o n a ls c e n em a n a g e m e n t ，s o u n d m a n a g e m e n t ，t e r r a i nd i s p a t c h ，p a r t i c l es y s t e m ，n e t w o r ki n t e r f a c e ，o b j e c ta l t e m a n t c o n t r o la n dt h er e a l - t i m em a i n t e n a n c eo ft h eo b j e c ta n ds oo n 2 a n a l y z e da n ds t u d i e dt h em e t h o d so fc o n s t r u c t i n gt e r r a i nb yd i a m o n d - s q u a r e f r a c t a la l g o r i t h ma n dr e a d i n gt h er e a lt e r r a i nd a t a ，a n du s e dt h e s et w om e t h o d st o s t r u c t u r ev i s u a la n dl i f e l i k et e r r a i nr e s p e c t i v e l y a n a l y z e da n ds t u d i e da n dt h ew a yo f r e a l i z i n gf l i g h tb r o w s i n ga n dr e a l t i m ed i s p l a y i n gt e c h n o l o g yo ft h et e r r a i n 3 d e s i g n e da n dr e a l i z e d t h em u l t i v i e w p o i n t ，t h em u l t i p e r s p e c t i v e sa n dt h e o m n i d i r e c t i o n a lr e a l t i m eo b s e r v a t i o n m e t h o d ，m i g h to p t i o n a l l y c o n t m lt h e v i e w p o i n tt oo b s e r v ep a r t i a lo rt h eo v e r a l ls c e n ea sn e c e s s a r y ih a sp r o v i d e dt h e c o n v e n i e n tw a yf o r t h eu s e rt oc a r r yo nm a c r o s c o p i ca n dt h em i c r o s c o p i co b s e r v a t i o n o ft h es i m u l a t i o np r o c e s s 4 d c t a j l c d l ya n a l y z e dt h ea l l r j b u t ca n dt h er e a l i z e dp r o c e s so fp a l t i c l cs y s t c n ， h a dm a d et h e o r e t i c a l l yt h ea n a l y s i st ot h er a n d o m n e s so ft h ep a r t i c l es y s t e m ，u n i f i e d t h ep a r t i c l es y s t e mb e h a v i o rm o d e la n dt h eg e o m e t r ym o d e l ，a n dh a dr e a l i z e dt h e 西北工业大学顶- l 学位论文 摘罄 d y n a m i ce n v i r o n m e n t ( r a i n ，s n o w ，m i s ta n dd u s ta n ds oo n ) m o d e l i n gb yu s i n gt h e p a r t i c l eg r a n u l es y s t e m 5 d e m o n s t r a t e dt h et e c h n o l o g ya n dt h e o r yo ft h el e x t u r em a p p i n g ，e s t a b l i s h e da r e a s o n a b l em e t h o do ft e x t u r em a p p i n g ，a n dr e a l i z e dt h em a n a g e m e n t o ft e x t u r ei nn s e 。 u t i l i z e dt h et e c h n o l o g yt or e a l i z et h et e x t u r em a p p i n go ft h es c e n ea n do b j e c ti nt h e v i r t u a ls c e n e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec o n s u m m a t i o no fs o f t w a r ef u n c t i o n ，t h e v i r t u a ls c e n es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do no p e n g lm a y b ew i d e l yu s e di nt h eu r b a n p l a n n i n g ，t h er o o md e s i g n ，t h ei n d u s t r ys i m u l a t i o n ，t h eh i s t o r i c a ls i t er e c o v e r s ，b r i d g e a n dr o a dd e s i g n ，a n dm i l i t a r ys i m u l a t i o n ，t h ea p p e a r a n c eo ft h ev i r t u a ls c e n e s i m u l a t i o np l a t f o r mw i l lp o u rt h en e wv i g o ri n t ot h ed e v e l o p i n gv ri n d u s t r y k e y w o r d ：s c e n es i m u l a t i o n ，s c e n eg r a p h ，o p e n g l ，t e x t u r em a p p i n g ， p a r t i c l es y s t e m 西j t _ t 业大学顾 。学位论义第章绪论 第二章绪论 长期以来人们直在致力于突破一种纯数字化的交互方式，以获取一种图文 并茂、生动形象，并使人有身临其境之感的和谐的人机交互环境，也正是在这种 需求的推动之下，虚拟视景仿真技术迅速发展起来，并取得令人瞩目的成就，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。目前，计算机图 形学己进入三维时代，三维图形在人们周围无所不在。科学可视化、计算机动画 和虚拟现实已成为计算机图形学的三大热门话题，而这三大热门话题的技术核心 均为三维图形。归根结底，虚拟视景仿真技术得益于计算机图形学的发展和完善。 1 1 虚拟视景仿真平台开发的目的和意义 虚拟视景技术( s c e n es i m u l a t i o nt 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调、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。 i = i = i 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。虚拟视景仿真平台正是在基于虚拟视 景仿真技术的发展和前景广阔的虚拟视景仿真的应用的基础上开发的，不断完善 和发展“基于o p e n g l 的虚拟视景仿真平台”( 以下简称为虚拟视景仿真平台) 。 西北工业大学硕l ：学位论文第一章绪遗 该平台的功能可广泛应用于城市规划、室内设计、f ：业协真、古迹复原、桥梁道 路设计、军事模拟等行业。 1 2 虚拟视景仿真技术的发展和国内外研究现状 1 2 1 虚拟视景仿真技术的发展 随着计算机与计算机图形学技术的发展，仿真从最早的数字仿真，发展到了 今天的可视化仿真、多媒体仿真与虚拟现实仿真。虚拟现实技术是在综合计算机 ： 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。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、数据手套等 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地结合，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。 1 1 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。【2 】 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“技术推动一f ，近年来虚拟现实已经取得的一些 技术成果，并已集成了一些很有实用前景的应用系统，而且智能虚拟世界也在不 断地发展。 2 西北工业大学懒j ：学位论文第一章绪论 虚拟视景仿真技术是虚拟现实技术中重要部分，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，而虚拟况景仿真技术主要通过显示器、键盘和鼠标完成交互。虚拟视景 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， 并建立基于场景空问下的坐标系对枣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 显示器或投影设备) 上。 1 2 2 虚拟视景仿真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) 言j ( 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。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。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。 3 1 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，可使锝图像伴随声音实时显示。德国国家数学与计算机研究中心 f 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。英圈的b r i s t o l 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、虚拟环境控制、虚拟环境显示。 f 1 本是当前虚拟视景仿真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。东京大学的广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，现在已经有了4 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 3 一 两北t 业大学硕l 学位论盅= 第一章绪论 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晟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垂! 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。中 视典数字科技有限公司从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开发 也都取的不错的效果，成功丌发出拥有自主知识产权的虚拟场景浏览器软件 v r p l a t f o r m 。 1 3 问题的提出 虚拟现实( 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 l w 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、昕、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： l m m e r - s i o n i n t e r a c t i o n i m a g i n a t i o n ( 沉浸一交互一构思) h 1 。 当前，虚拟现实( v r ) 技术已在欧美、台湾等地区广泛使用，并己广泛应 用于城市规划、旅游、产品、房地产、服装展示、展览等领域。但在国内规划领 域目前却应用不多，这是因为： 1 从应用来说涉及范围太广4 ，三维数掘模型需求最太大，这就使得三维建模 与数据处理的工作量太大。 2 当前所生成的模型在不同环境下很难作到与周边环境的融合，这就大大降 低了模型的三维表现效果。 4 i ) i 北丁业夫学颂。i ：学位论义 第一章绪论 3 - n i fr h 场的三维软件主要擅长划二维模型的建立，而没有将各种三维建模 与虚拟视景仿真等高新技术手段结合在一起的直观展示的软件。 基于以上考虑，提出了研究“基于o p e n g l 的虚拟视景仿真平台”的开发。 研究如何利用当前最新的三维建模与虚拟视景仿真技术，实现虚拟环境的管理、 维护和虚拟场景的逼真显示等功能，提供实现对对象的管理，如真实感图形显示、 三维场景管理、声音管理、地形调度等，实现对对象的交互以及实时对象维护等 虚拟视景仿真平台程序所需的多项功能，以适应对不同人群的应用需求。 1 4 本文的主要工作 下面将本文完成的主要工作及各章节的安排介绍如下： 第一- 一章介绍视景仿真系统研究的意义以及视景仿真技术与理论，反映了本论 文的研究目的和任务要求。 第二章介绍视景仿真平台的基本功能和组成。主要介绍该视景仿真系统所涉 及到的开发工具，开发平台及建模软件的选择。初步介绍了整个软件的总体设计。 第三章介绍视景仿真平台的软件设计和实现过程。首先介绍该视景仿真系统 所涉及到的开发工具，开发平台的应用。进而论述了该仿真系统的平台建立，系 统组成和系统的软件设计。 第四章介绍该视景仿真平台的核心技术的研究，即仿真场景中各个仿真元素 的建模。包括仿真地形建模、特殊效果建模、粒子系统建模，纹理映射等技术的 研究和应用，和在这些建模过程中的一些o p e n g l 的几何优化技术。 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的 功能的实现性和设计的e 确性。 第六章给出全文总结，说明了本文所作的主要贡献并指出有待进一步研究的 工作。 。5 西北工业人学坝l ：学位论文第二章虚拟视景仿真f 台的系统组成 第二章虚拟视景仿真平台的系统组成 2 1 虚拟视景仿真平台的功能 作为虚拟视景仿真平台系统，它应该具备一般面向大众的产品设计和展示， 像房地产商他能够通过这个平台设计和展示他们的小区建筑。虚拟仿真平台它作 为一个平台，能够提供各种各样的灯光、道具等使用户能够设计自己的“舞台剧”。 t 它能够使用户方便地调入用户设计自己设计的三维模型，并能够对模型进行一系 列的操作，对用户调入的三维型添加周边环境、加入场景的灯光、雾化和粒子效 果等，同时，在键盘、鼠标的控制下，能够多方位、多角度的实现场景的展示。 利用此平台开发者可充分展开想象力，置身于身临其境的虚拟世界中，如无人机 的训练飞行、汽车驾驶培训的过程等。通用型虚拟现实平台应该具备有以下几个 基本功能： 1 三维模型的调用和修改。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) 。还可以通过网络接口来传递模型的位置、角度信息等来观察模型的真 实程度。 2 三维地形数据接口。在系统中，留有三维地形数据接口，可以方便用户进 行地形的调度，并匹配上地貌。在地形的格式中，最常用的是d e m ( 数字高层 模型) 数据格式，所以在接口设置上只留有d e m 数据接口。如果地形是+ f l t 格 式的地形，则可以如调入三维模型一样调入。 3 天空模型。在模型调入平台中，可能还需要像天、地这样的环境去修饰它， 这就需要留有天空的接口。天空采用“盒子”的方法来实现。需要说明的是天空 并不是纯粹的天空，是场景周边的环境，对调入的模型起装饰作用。 4 特殊效果。在平台中，还要设计到灯光、雾等不可缺少的物体，用这些效 g l ) t ：7 t t 托u 入投型，仗摸型更加7 眵玺化。 5 粒子系统。粒子系统对于绘制不规则的对象，如火焰、烟雾、云彩、爆炸 等具有独特的优点。粒子系统比较灵活，并在其中加入随机过程。因此，获得精 细的模型不需要大量的设计时间。 两北【业夫学硕t 二半位论义第二章虚拟视景仿真平行的系统组成 6 网络接口。针对不同f 1 9 _ h 途，留有刚络接 l ，其主要是接收相应的网络数 据，对实物进行相应的仿真。比重盯用来无人机飞行训练的仿真，则可以通过这个 平台澜入无人机模型，设置好相应的飞行环境等，通过网络上的机器的无人机数 学模型的解算，接收无人机相应的位置、角度等相应的数据来模拟仿真。 7 外部数据对场景中对象的实时驱动。实现视景系统的动面生成，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的视景系统二次开发。 8 多视点的设置和观察。无论是单一的固定视点或者是绑定视点都不能满足 用户对虚拟视景仿真系统平台的要求，在视点设计中，增加多视点的功能，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。 应用于v r 应用系统 ! 三维实体接口， 三维景构造f _ f 场景粒子系统f 旧燃口i 习黧鬻目播放1 i 可编群界而 设需接口 l 。 千多通道显不1 0 p e n g l m f c 图2 1 虚拟视景仿真平台的各功能关系 2 2 虚拟视景仿真平台对视景系统的需求 场景平台就像是一个舞台，同时这个舞台还需要别的物体来装饰、搭配才能 构成多姿多彩的舞台。所以在平台的构建中涉及到灯光、雾化、仿真实体、周边 环境、特殊效果等设置和管理。主要有以下几方而的模型设嚣和管理。如图2 - 2 所示。 图2 2 场景的模块 西北工业大学硕士学位论文 第二二章虚拟祝景仿真、卜台的系统组成 其中，天空模型、大气模，弘外部模型删入、地形模型以及粒子系统模型属 于虚拟视景可视化这一部分。在虚拟视景可视化这一部分中，要求天空模型用户 能够选择不同模式f 的天空、大气设置，通过交互的方式选择地形、改变粒子系 统的状态。虚拟视景仿真平台的各模块关系如图2 3 所示。 网络接口模型接受来自网络的场景数据，完成场景的多媒体演示。 图2 ，3 仿真系统平台的模块划分 虚拟视景仿真平台的设计中，除了满足以上的功能需求以外，性能需求也很 重要。主要体现在以下几个方面： 1 友好的人机界面。在该系统中，人际界面的设计也是设计的一个重要方面。 因此，将以用户为中心的设计思想融和到系统的人能及界面设计中，即以用户对 界面的需要变化为出发点，是用户界面的外在形式符合不同用户的需求。 2 人机交互技术。在仿真初始化及仿真运行过程中，人可以在形象空间中产 生、操纵、删除抽象空间中的仿真对象并设置或改变其属性。 3 绘制技术。虚拟视景仿真平台能够工f 确地绘制虚拟场景，正确地表现场景 中各种三维对象的效果，并通过有效的，快速的绘制算法，完成场景绘制，满足 应用的性能需求，虚拟视景仿真平台还应将用户的人机操作及时表现在场景的绘 制过程中。 4 体系设计。虚拟视景仿真平台应该具有开放性的个结构，即具有一个通 用型较强与具体算法、绘制平台无关的一个框架结构，可以生成一个与平台无关 的绘制命令，实现对绘制算法的支持，同时还应提供其他对虚拟视景进行处理的 西北t 业人学顿l 学位论文第二章虚拟 见景仿真、f 台的系统组成 备种模块，以适应高层应丌j 中不同需求的实现。 2 3 仿真软件实施方案论证 在软件平台上，整个视景仿真平台系统的操作系统已经选定为w i n d o w sx p 操作系统。 w i n d o w sx p 操作系统是p c 平台窗口环境事实上的工业标准，w i n d o w sx p 操作系统所提供的标准服务有以下几种： 1 提供与设备无关的i ，o 功能； 2 高效的内存管理突破了常规内存限制，允许程序透明地存取扩充内存和扩 展内存； 3 支持多任务处理。 下面就开发视景仿真系统的视景仿真开发工具进行阐述和选型 2 3 1 仿真软件开发环境的选择 仿真软件开发环境工具选定为m i c r o s o f t 公司的m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。 v i s u a lc + + 6 0 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 中的m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 生成w i n d o w sg u i ( 图形用户 接口) 程序。m f c 是v i s u a lc + + 的核心，称为“应用程序框架”，它一方面封装 了w i n d o w s 9 5a p i ，另一方面使用称为“消息映射”的机制把w i n d o w s 消息和 命令传递到窗口、文档、视图以及m f c 应用程序的其他对象。v i s u a lc + + 6 0 支 持w i n 3 2 平台( w i n d o w s9 5 、9 8 n t 4 0 、5 。o ) 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 服务( s e r v i c e ) 和控件( c o n t r 0 1 ) 的开发。 v i s u a lc + + 6 0 还有以下特点： l _ v i s u a lc + + 6 0 集成丌发环境( 1 d f ) v i s u a lc + + 6 0 丌发环境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 成丌发工具所组成，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 ee 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 翠器( o p t i m i z i n gc o m p i l e r ) 增量连接器 o 西北工业大学碗上学位论史 第一章虚拟视景仿真平台的系统组成 ( i n c r e m e n t a ll i n k e r ) 源代码浏览老g ( s o u r c ec o d eb r o w s e r ) 集成渊试器( i n t e g r a t c d d e b u g g e r ) 等。 2 使用向, 导- ( w i z a r d 卜一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 ) 来丌发 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应用程序风格的基本框架。 3 方便编程的集成数据库访问 v i s u a lc + + 6 0 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 ( 丌放数据库) 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 lf 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 o 类( 数据访问对象1 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对象与结构。 2 3 2 采取的研究方法和技术路线 开发“虚拟视景仿真平台”系统，决定采用何种编程接口( h e 0 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e 1 ( 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 l i d e ：其主要是同3 d 显卡耵盯系列结合。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o 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 上，所以应用较少。 o p c n g l ：o p e n g 。最初用_ 丁二高端的图形工作站，后来其接v 1 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 演变而束的复杂的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 1 0 西北t 业大学硕1 学位论文第二章虚拟视景仿真平台的系统组成 服务器系统。卜： 作，效率也要比d i r e c t 3 d 高。o p e n g ，提供一系列的三维图形单 元供丌发者调用；o p e n g i 。提供一系列的图形变换函数；o p e n g l 提供一系列的 外部设餐访问函数，馒开发抒可以方便地访问鼠标、键盘、空闻球、数据手套等 这种直观的三维图形开发环境体现了o p e n g l 的技术优势。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，本文也是采用o 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 殊的软件自动生成模型。 早期的方法是在仿真程序中完成几何建模，借助o 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 x ) 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 号业的建模软件，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 系列软件是美圈 m u l t i g e n p a r a d i g m 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 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟视景仿真平台的系统组成 面向仿真的、逼真性好的尺面积场景。它可为二十jl 利i 之多的不同类型的图像发 生器提供建模系统及工具，它的o p e nf l 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、l k 标准【s 1 。 2 4 虚拟视景仿真平台的总体概述 根据需求和上述的实旌方案的选择，虚拟视景仿真系统的主要功能是能够动 态地调入物体模型，并加以修改，增添周边环境和特殊效果，营造出一个逼真的 仿真场景，并配以一定的声音效果，使观察者沉浸在逼真的虚拟仿真环境中。如 果在网络条件下，能够从其它几个仿真节点中接收数据，完成场景的多媒体动画 演示和仿真。 2 4 1 虚拟视景仿真平台的两种工作方式 薹差：三 习蓁ll 需l _ _ j 场霎萎制l 一模型。节点1 竖 藿 l j ”荔薮“i 一模型。节点j 据f 星 l 一一一 一1 2 西北t 业大学硕上学位论殳 第二章虚拟视景仿真、f 台的系统红【成 据条件判断( 即是否该仿真节点数据值都已具备) 。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0 。主线程进行场景显示。 在程序设计中，根据相应的需要开几个模型节点。但是不能超过五个。 2 在单机模式下，主要是进行场景的各种设置。 。场景设置 j 。一 司 型地形| 天 入调入j宴 场景刷新1 图2 5 单机模式下的场景显示 如图2 5 所示，进行各个模型( 模块) 的设置，通过人机交互的方式进行参 数化设置，来达到场景展示的一个功能。 2 4 2 虚拟视景仿真平台的表现方法 虚拟视景仿真平台是运用虚拟视景仿真技术实现。但它不是仿真技术与多媒 体技术的简单结合，虚拟视景仿真技术是一个自成体系的研究领域，有其自己的 技术内涵。主要表现在如下几个方面： 1 层次化对象模型 虚拟视景仿真对象模型封装了某一实体对象的数学逻辑模型及其表现模 型。虚拟视景仿真对象模型之间具有分层的状态和消息组合关系，若干基本对象 榉型可以锕装成更大规樽的 | | _ l 合对象模型层次化的虚拟视景仿真对豫构成了系 统的虚拟视景仿真模型。 2 仿真动态数据的虚拟视景仿真表现模型 虚拟视景仿真涉及到大量的图形、文字、音频、视频等动态数据，为了实时 13 西北工业大学硕士学位论文第章虚拟视景仿真平台的系统组成 地表现这些动态数据，虚拟视景仿真平台需要建哥：仿真动态数据的虚拟视景仿真 表现模型。 3 仿真表现方法与表现脚本生成技术 仿真时空表现集中体现在脚本上，脚本模型是虚拟视景仿真表现的一种常用 模型，它是多媒体仿真模型的有机组成部分，是联系抽象时空和形象时空的桥梁 和纽带。 4 地理景物表现技术 为了表现全体的运动，需要建立具有真实感的地理景物。虚拟视景仿真平台 中的地理景物必须与运动体的位置相匹配，并可容纳仿真实体的布局和摆放。 2 5 本章小结 本章主要讲述虚拟视景仿真平台的基本功能和各模块之间的关系，以及虚拟 视景仿真平台的功能需求和性能需求，并在这个需求下展开虚拟视景仿真平台的 方案论证和总体设计。 首先，简要论述了虚拟视景仿真平台的基本功能。在此前提下，提出了对虚 拟视景仿真平台的需求及技术要求。其次，在此需求下对虚拟视景仿真平台系统 的各个实施方案进行了分析论证，并确定了合适的方案。最后，给出了虚拟视景 仿真平台的总体概述，包括虚拟视景仿真平台的工作方式和表现手法。 。1 4 西北1 二业大学硕 学位论文第三章虚拟视景仿真平台的软件垃汁 第三章虚拟视景仿真平台的软件设计 根据上一章对虚拟视景仿真平台功能模块的设计，本章将要对虚拟视景仿真 平台的程序进行具体开发，满足上一章提出的各种功能。其中一些关键技术将在 第四章阐述。 3 1o p e n g l 简介 在上一章中，软件设计方案的论证中，本文采用o p e n g l 的3 da p i 接口。 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$ 6 i 丌发的一套高性能图 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