（工程力学专业论文）虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用.pdf

虚拟现实在三峡井船机仿真中的应用 摘要 ( 虚拟现实是近十年飞速发展起来的一门综合性学科，已经广泛 应用于军事、医疗、工业生产、娱乐等领域。卜了 三峡升船机是三峡水利枢纽的重要通航设备。论文主要是对虚 拟现实在三峡升船机仿真中的应用进行了研究。我们的主要工作是利 用计算机创建三峡升船机虚拟现实系统，建立了一个以三峡升船机为 主体，包括三峡附近地貌的虚拟环境，并且对场景中的关键对象实现 了程序控制。从最初脚本的确立到最终场景的完成，从模型的创建到 程序实现，从软件应用到程序开发，整个虚拟现实场景的制作所涉及 的面非常广。在虚拟场景的创建过程中，我们碰到了许多具体问题， 例如三维图形的显示、场景中特效的实现、贴图的处理以及三角面片 的简化等等。以上问题中，比较关键的是三角面片简化问题，这对加 快显示速度，提高整个虚拟现实系统的沉浸感有重要意义。因此，论 文针对三角面片简化的算法进行了深入研究，并对简化结果进行了分 析和比较。 f 论文第一章主要介绍了国内外虚拟现实技术的概况，包括虚拟 现实的概念，发展，软硬件设备，关键技术及其应用状况；第二章对 实现升船机虚拟现实系统所用到的两款专用软件一一m u l t i g e n c r e a t o r 和e o n 进行了介绍，并与其他类似软件进行了比较；第 三章介绍了整个升船机虚拟场景的建立步骤和具体方法，包括脚本的 确立、方案选择和虚拟场景的创建三个部分；论文最后对虚拟现实中 的三角面片简化算法进行了深入探讨，最终用边折叠算法在一定程度 上实现了模型简化和l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 。) 厂 关键字：虚拟现实，虚拟环境，簇，j 咕裔，升船菥乎垦名面 片简化 圭查茎望查兰翌主堡圭一一 a b s t r a c t v i r t u a lr e a li t y ( v r ) h a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yd u r i n g t h e l a s td e c a d e a sac o m p r e h e n s i v es u b j e c t ，i th a sb e e nw i d e l y u s e d i nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm i l i t a r y ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，e n t e r t a i n m e n t a n ds oo n s a n x i as h i pe 1 e v a t o r i sa ni m p o r t a n tp r o j e c t o f t r a n s p o r t a t i o n t h i sp a p e r ism a i n l yf o c u s e do nt h ea p p l i c a t i o n o fv i r t u a lr e a l i t yi nt h es i m u l a t i o no fs a n x i as h i pe 1 e v a t o r w ee s t a b lis hav rs y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so ft h es a n x i as h i p e 1 e v a t o ra n dt h et e r r a i na r o u n di t w ea l s op r o g r a mt oc o n t r o l t h ek e yo b j e c t si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t t ob u i i d t h ev r s y s t e m ，w eh a v em a d eu s eo ft e c h n o l o g i e so fm a n yf i e l d s d u r i n g t h ep r o j e c t ，w em e e tw i t hm a n yp r o b l e m s ，s u c ha st h e3 dg r a p h i c s s p e c i a le f f e c t s ，t e x t u r e ， a n dt h e p o l y g o n a l s u r f a c e s i m p l i f i c a t i o n e t c t h ep o l y g o n a ls u r f a c es i m p l i f i c a t i o n i s v e r yi m p o r t a n tf o r av rs y s t e m t h es i m p l i f i c a t i o nc a ni n c r e a s e t h ei m m e r s i o no f av r s y s t e m t h e m e t h o do fs i m p l i f y i n g p o l y g o n a l s u r f a c e si ss u r v e y e di nt h ep a p e ra sw e l l c h a p t e ro n e i n t r o d u c e st h ev rt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gt h e v r sc o n c e p t ，d e v e l o p m e n t ，s o f t w a r e ，h a r d w a r e ，k e yt e c h n o l o g y a n dit sa p p l i c a t i o n c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h es o f t w a r ei nt h e p r oj e c t ，m u l t i g e n c r e a t o ra n de o n c h a p t e rt h r e ei sm a i n l y a b o u tt h ev r s a p p l i c a t i o n i nt h e p r o j e c t t h i s c h a p t e r d e s c r i b e st h ep r o c e s st ob u ii du pav rs y s t e m a tt h ee n do f t h ep a p e r ，s o m em e t h o d so fs i m p l i f y i n gp o l y g o n a l s u r f a c e si s s u r v e y e d ，a n d t h er e s u l t so ft h e s i m p l i f i c a t i o nh a v eb e e n s h o w e d k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ，v i r t u a le n v i r o n m e n t ，m o d e l i n g t e x t u r e ，s h i pe l e v a t o r ，p o l y g o n a l s u r f a c es i m p l i f i c a t i o n 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 意义 第一章虚拟现实概况 一些大型的公共建筑工程项目或比较重要的建筑，例如车站、机场、电视塔、 桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大 的影响。它们建设成本高，社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意 义更加重大。目前，对于这种重大项目的建设过程的初期经济评价是建立在高度 抽象的模型基础上，其结果经常出现很大偏差。项目上马前的功能评价也只是建 立在想象和经验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能上的缺陷几乎 是无法弥补的。而利用虚拟现实技术，就可以把一大堆抽象的数字用一种“看的 见、摸得着、听得到”的方式展示出来，以便及时发现项目中的些不足，及时 地进行修改，达到预期的效果。 三峡升船机采用全平衡钢丝绳卷扬垂直提升形式，是三峡水利枢纽的重要通 航设施。升船机提升重量达1 1 8 0 0 吨，最大提升高度为1 1 3 m ，船厢水域尺寸为 1 2 0 m 1 8 m 3 5 m ，该升船机具有上游水位变幅大和下游水位变率快的特点，其 技术规模和技术难度均己超过目前世界上已建和在建的通航升船机。 对于大型钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机，目前国内尚无规范可循，也无成熟 的设计和运行的经验。为了保证三峡升船机的安全可靠运行，必须较为准确地确 定升船机各子系统和零部件的负载特性作为复核和指导设计的依据。由于三峡升 船机系统复杂，涉及传动机械、电力拖动、船厢结构及设备、水体、船舶、液压 平衡装置、平衡重系统、塔柱和上下闸首等子系统，各子系统相互耦合，并呈现 时变的特征，因此，仅靠局部和静态的方法，难以描述升船机的真实负载状态， 这就给设计和计算带来了很大不便。而采用虚拟现实技术，能够把升船机的动态 特性展现出来，使其形象化，让设计者能够有充分的认识，及时地进行修正，一 定程度上避免了差错的产生，节省大量的人力物力。 一虚拟现实的概念 虚拟现实技术，也被称为灵境技术或临境技术。顾名思义，这种技术能使人 产生身临其境的感觉。它是多媒体技术的集成，甚至有人说它是多媒体技术发展 的最高境界。目前有很多关于虚拟现实的定义，其中比较准确的个是，通过多 媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户以 自然的方式与虚拟环境中的客体进行体验和交互作用，从而产生身临其境的感受 上海交通大学硕士论文 和体验。 近年来，随着计算机硬件技术的发展以及虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术的推 广，虚拟现实技术已经广泛应用于军事、医疗、航天、船舶工程、建筑、工程制 造、科研教育、娱乐等领域。 g b u r d e a 在e l e c t r o 9 3i n t e r n a t i o n a lc o n f e f e n c e 上所发表的“v i r t u a lr e a l i t y s y s t e m s a n da p p l i c a t i o n ”中提出了虚拟现实技术的三角形，即i 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 ( 沉浸交互想象) 。这三个i 被称为虚拟现实技术的三要 素。 沉浸感( i m m e r s i o n ) 是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的 虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度( 例如可视场景应随着视点的变化 而变化) ，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 交互。i 生( i n t e r a c t i o n ) 是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得 到反馈的自然程度( 包括实时性) 。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物 体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手 的移动而移动。 想象力( i m a g i n a t i o n ) 是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认 知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。 二虚拟现实的发展 虚拟现实的发展大致经历了3 个阶段： 1 ) 5 0 7 0 年代为虚拟现实的探索阶段。国外在五十年代就开始了虚拟现实的 探索。19 5 6 年美国的m o r t o nh e i l e g 开发了s e n a o r a m a 的摩托车仿真器，不仅具 有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。1 9 6 8 年， i e s u t h e r l a n d 开发了第一个计算机图形驱动的头盔现实器h m d ( h e a d m o u n t e d d i s p l a y ) ，为虚拟现实的发展奠定了基础。 2 ) 8 0 年代为虚拟现实的集成阶段，虚拟现实技术由实验室走向实际应用。 其重要标志是：1 9 8 5 年，在m i c h a e lm eg r e e v y 领导下完成了v i e w 的虚拟现实 系统，装备了数据手套和头部跟踪器，提供了手势、语音等交互手段，使v i e w 成为了名副其实的虚拟现实系统，成为后来开发虚拟现实的体系结构。v p l 公 司开发了用于生成虚拟现实的应用软件r b 2 ，为虚拟现实提供了开发工具。 3 ) 9 0 年代至今，是虚拟现实全面发展的阶段。在硬件体系方面，d v i s i o n 公司在s u p e rv i s i o s 系统上中提出了一种基本的并行模型，开发了相关的并行处 理器件，和d v s 操作系统，使虚拟现实全面发展涌现了大量的软件。如s e n s e 8 的w o r l d t o o l k i t 、w o r l d u p ，s g i 的o p e ni n v e n t o r 、o p e n g l 、p e r f o r m e r ，a u t o d e s k 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 公司的l i g h t s c a p e ，m u l t i g e n 公司的m u l t i g e nc r e a t o r ，v e g a ，以及e o n 公司的 e o n 等等。 虚拟现实在最初，是指沉浸式的虚拟现实系统，用户可以完全沉浸在一个虚 拟的，完全由计算机生成的三维场景中。现在虚拟现实已经远远不止于此，虚拟 现实的范围越来越广，分类也越来越细。它可以是完全沉浸的，也可以是利用立 体眼睛来观看立体现实设备，以产生立体效果，也可以是通过显示器，用鼠标控 制在三维世界里进行漫游。这样按照沉浸程度分为沉浸式的，半沉浸式的，桌面 级的虚拟现实。相应的硬件有基于沉浸式虚拟现实系统的h m d ，b o o m ( b i n o c u l a r0 m n i o r i e n t a t i o nm o n i t o r ) ，c a v e ( c a v ea u t o m a t i cv i r t u a l e n v i r o n m e m ) 以及基于半沉浸虚拟现实系统的3 d 立体眼镜。按照用户的参与程 度不同分为单人的，分布式的虚拟现实系统。分布式的虚拟现实系统是指多个用 户，他们可以利用不同的设备，通过网络沉浸于同一个虚拟环境当中。而由a p p l e 公司生产的q u i c k t i m ev r 可以通过图象缝合技术，产生基于图片的“虚假”三 维世界，提供简单的漫游。 近几年，由于互联网的迅速发展，使得虚拟现实技术也走向了网络。v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 就是一种基于o p e n g l 的虚拟现实建模语 言。它已经成为了继h t m l 语言以后另一种用于网页制作的语言，还可以建立 与其他网页的链接。可以通过安装了插件( 如c o s m o p l a y e r ) 的浏览器来实现通 过鼠标交互的桌面级虚拟现实。v r m l 2 0 采用节点来储存数据，包括几何体的 形状，颜色，贴图等等，而这些节点之间的组织采用树形结构。这种语法和数据 结构便于建立三维世界，并且很容易导入沉浸式虚拟现实系统。v r m l 2 0 已经 成为了i s o i e c 标准，被命名为v r m l 9 7 。 三虚拟现实系统的硬件设备 除计算机外，典型的虚拟现实设备有如下几种 1 ) 立体眼镜，通过它能看到计算机所产生得立体感很强得三维图象。 2 ) 数据手套通过它可以用手势得控制把信息传递给虚拟环境。 3 ) 位置跟踪器，提过计算机可以跟踪人的头和手在三维空间中的位置和方向的 性能。 4 ) 立体声装置使虚拟环境产生立体声及音响定位。 5 ) 图形图像生成器具有实时处理图形图像功能的高性能c p u 和图形加速卡。 四虚拟现实的关键技术 1 ) 图形图像处理技术 上海交通大学硕士论文 虚拟现实首先要构造一个三维视觉环境 二维的，怎样让用户看到三维图形图像 处理技术主要有以下几种。 而一般计算机所显示的图形图像多是 这就是图形图像处理技术。图形图像 立体成像技术：根据两眼视觉原理，对同一场景分别绘制对应与左、右眼稍有差 别的视图，借助于立体眼睛，把两侧视图分别送到左、右眼，于是可看到一副具 有很强立体感和深度感的图像。 用环形和半球形屏幕将用户包围起来，给用户造成一种大空间的立体印象，使用 户溶入虚拟环境中。 空间动态性：为了构造有确定意义的虚拟环境，使用户看到的景物与他所处的空 间位置相关，当用户处于运动状态时，他所看到的景物与运动状态一一对应，这 样用户才能感到自己处于真实环境中。 时间的实时性：用户在任一时刻看到的景物恰好是与他所处的状态在时间上精确 对应的景物，不能超前，也不能滞后。 2 ) 音响处理技术。 在有声像地虚拟环境中，声音应与画面一致，环境中些会发声的东西自动客观 的发出声音来，利用声音的发生源、头部位置及“双耳音响差再生”技术，当头 部位置和方向改变时，声音也随着改变，从而增强方位感，利用音频合成技术形 成立体声，增加虚拟环境的真实感。 3 ) 位置与方向跟踪技术 将用户的头部及手的状态及时测量出来，输入到计算机中以便精确与虚拟环境相 对应，这样才能使用户真正地与虚拟环境融合在一起。 4 ) 传感技术 虚拟现实中的人一机交互效应主要由传感技术来完成，如将数据手套，手势等显 示及时的输入到计算机中进行处理，达到在虚拟环境中人与虚拟物体的交互效 果。 5 ) 建模技术 虚拟现实中的场景对象和几何对象的描述，用户状态信息都要进行模型化处理， 使人与环境相统一，相融合。这些都是建模的任务。 6 ) 网络通讯技术 虚拟环境在网络上运行时，需用网络通讯技术，使各种信息能快速准确传递。 4 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 五虚拟现实的应用 国外目前已经将虚拟现实技术成功到应用到了军事，教育，医学，产品设计， 产品可视化等领域中。比如，宇航员的“空间零重力模拟器”；哈勃望远镜修复 的虚拟训练模型；用v r 技术设计波音7 7 7 ；火星探测器的虚拟控制等等。 1 ) 在军事方面的应用 美国的虚拟现实技术不仅用于作战计划、战场准备，还用于对新型武器的性 能评估。8 0 年代初，d a r p a 开始为坦克的编队作战开发了一个使用的虚拟战场， 主要目的是为了降低训练费用，确保安全和减少对环境的影响，最后形成了一个 有美国和德国共2 0 0 辆坦克训练互联而成的网络，该系统称为s i m n e t 。在该系 统中每个独立的s i m n e t 模拟器都能模拟m 1 坦克的全部特性，包括导航、武器、 传感器和显示等性能。 美国海军指挥控制和海洋管制中心研制出反潜艇站a s w 系统，由头盔显示 器和三维立体声组成，操作员通过手势( 数据手套) 和声音控制这个仿真器。在 实际的3 d a s w 显示器上可显示一个3 6 0 度的虚拟海床，以及由声纳脉冲集成 在一起的海水特性，根据模型和实际声纳反应器所反映的脉冲差异来确定敌潜艇 的位置。 2 ) 在产品设计方面的应用 美国s g i 公司在设计波音7 7 7 飞机时，在原有的波音c a d 基础上建立了一 个虚拟飞机的三维模型，当设计师戴上头盔显示器后，能穿行于模拟的飞机中， 审视“飞机”的各项性能，过去为设计一架新型飞机必须建造两个实体模型，造 价1 2 0 万元，应用虚拟现实技术不但节省了经费，而且缩短了研制周期。 3 ) 在训练方面的应用 对于特殊人员的训练，由于对于训练环境要求搞，投入大，训练机会受到限 制，入航空、宇航、深浅、战车驾驶的训练。应用虚拟现实技术投入少，效果好， 例如英国研制的虚拟机舱，可用于飞行员的训练。 4 ) 在教育方面的应用 虚拟现实技术把教育推向了一个潜在的高水平、提高了学生对只是的理解和 动手能力的训练。美国爱瓦州立大学积雪工程系开发了一个虚拟机械加工系统， 学生可用数据手套操作机床，戴上立体眼睛可观察加工过程各种参数对机械性能 的影响。美国柯达公司研制的虚拟环境，人们通过在三维图形空间中的操作迅速 地获得全新地事业，使得诸如热能、温度、压力等变量间的复杂关系在注塑工艺 中表现得条理分明，一目了然。 上海交通大学硕士论文 下面以埃尔兰根大学和宝马公司的研究为例。简单介绍一下一个虚拟现实系 统的工作过程。 埃尔兰根大学和宝马公司合作开发的v e s ，用于汽车车身的开发设计。这套 软件主要目的是增加设计小组对未来产品的感性认识，便于对各种方案的评估， 有助于解决概念设计中的问题。他们先对车身结构进行有限元分析，有限元分析 的结果输出后，通过接口，转化为虚拟环境，然后转化为v r m l 2 0 ，通过i n t e m e t 发布。如下图： 图1 1v e s 虚拟现实系统的基本结构 他们把有限元分析所得结果和虚拟现实结合起来，把有限元计算的结果形象 得展现出来，使得虚拟现实对结构的设计起到实时反馈的作用，从而达到不断改 进设计的目的。 国内的虚拟现实研究起步较晚，始于八十年代。但随着计算机硬件的普及， 我国已在这一领域取得巨大进展。 6 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 第二章三峡升船机虚拟现实系统的相关软件 一m u l t i g e n 软件的介绍 m u l z i g e n 公司原是瑞典的一家公司，专门从事虚拟现实软件的牛产。目前 主要的产品有m u l t i g e nc r e a t o r 以及v e g a 等产品。我们存整个i 峡升船机虚拟 现实项目中用到的是m u l t i g e nc r e a t o r 。 c r e a t o r 软件是一个虚拟现实系统创建模型的专用软件，它的界面如图2 一 l 。 图2 1m u t i g e nc r e a t o r 的界面 它的主要特点有： 模型的数据结构非常清晰： 精简的模型工具； 具有很多实现虚拟环境的特殊功能，例如l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 和 t e r r a jn 等工具： 上海交通大学硕士论文 贴图方式多样； 以下分别从这儿个方面对m u l t i g e n 这个软件进行介绍。 1 模型的数据库结构 刚一接触到m u l t _ i g e nc r e a t o r ，我觉得它与许多非专业虚拟现实建模软件小 同的地方是，把自己的创建的模型文件叫做d a t a b a s e s 数据库，而且有专门 s t a n d a r dv i e w ( 标准视图) 方式( 如图2 1 ) 。我开始感到非常不解，觉得没什 么必要，但是随着对它了解的深入，我渐渐体会到了“数据库”的好处。 图2 - - 2m u t i g e nc r e a t o r 的标准视窗界面 上图中，位于屏幕下方，深色背景的分窗口就是标准视图，是用来显示模型 的数据库结构的窗口。一个模型文件中，可能包含一个或者多个组( g r o u p ) ，每 个组之间的关系可能是对等的，也可能是包含与被包含关系，而个组又是由一 个或多个对象( o b j e c t ) 组成，而这些对象又由面组成。这些组、对象和面以及 组成这些商的点和线的坐标等都是数据，我们当然不希望看到他们是杂乱无章 的。在建模以及以后的虚拟环境的实现的过程中，为了便于模型的管理、组织， 需要把这些模型数据按照定的规律组织起来。管理这些数据的方法一般是对模 型进行分组或者分层，例如3 d m a x ，是对模型进行分组，a u t o c a d 是对模型进行 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 分层。c r e a t o r 对模型的组织也是靠分组的，但是它划分得更加细致，而且是用 树形结构表示出来，这更使得模型的数据结构一目了然。一个典型的c r e a t o r 数 据结构的模型树如下图： 图2 3c r e a t o r 的中模型的数据的树形结构 其中d b 是整个模型树的根节点，它是系统默认的，不能更改其名称，其他 系统默认名称为，g 打头的节点( n o d e ) 表示一个组g r o u p ，例如g l ，9 3 等；o 打头的一个节点表示一个物体o b j e c t ，例如0 1 6 ，0 3 7 等；p 打头的节点是面， 例如p 2 0 4 3 6 等。除了根节点，我们对其他节点都可以进行选取和编辑，为了便 于查找和记忆也可以取自己的名称。组节点下面可以包括组节点，也可以包括物 体节点，物体节点下面是面节点。建模时，可以选取一个组节点或者一个物体节 点做为父节点( p a r e n t ) ，然后在父节点下进行模型创建，如果没有选取的父节 点，则新创建的模型都将归于系统默认的d e f a u l t 组节点下。 这样把数据分组的好处不仅仅是便于模型数据的管理，它还便于建立虚拟现 实系统时更深层的开发。一个虚拟现实系统的显示方法可以有不同的选择，可以 是z b u f f e r 也可以是b s p ( b i n a r ys e p a r a t o rp l a n e ) 方法。z b u f f e r 方法是 靠每个面的z 坐标值的大小来判断描绘的先后顺序，而如果要采用b s p 方法，则 需要把模型文件划分为b s p 树。而模型得树形结构就为这种转化创造了良好的转 化条件，为以后深层次的开发奠定了基础。 2 建模工具 c r e a t o r 建模的工具种类不多，它的工具都是由简单的平面直接组成的。“平 直”是它建模工具的一个特征。它的主要模型工具都是直线和由线段所组成的平 面。 由于c r e a t o r 不能象3 d m a x ，a u t o c a d 那样靠直接输入点的坐标来建立模型， 所以，直接利用c r e a t o r 进行模型的创建显得并不是十分方便。利用c r e a t o r 建 模的一个显著的特点是，大量的利用了相对坐标，而不是象其他软件那样利用绝 对坐标，相应的，它的工具条中也多了一个参考点、参考线工具。例如下图一个 矩形： 9 上海交通大学硕士论文 d 心m y e ) 图2 4 利用参考点来确定坐标 显而易见，如果知道了点a 和点d 的坐标，b 点的坐标就是可以由d 点的横坐标 和a 点的纵坐标确定下来。c r e a t o r 种就大量的利用了点与点之间的关系，这样 的好处就是可以减少坐标数据的冗余，使数据库精简，而且，由于不需要反复输 入某些相同的坐标，也就减少了出错的概率，使得建模效率有所提高。 3 d m a x 或者a u t o c k d 在建模工具中，都有样条曲线工具。例如在3 d m a x 中支 持二次样条，b 样条等，但是在c r e a l ：o r 中，没有样条曲线工具，只有直线工具， 其中的圆、球等也都是由有限数目的线段组成的。 大家知道，在计算机所形成的图像都是由一段段小的线段所组成的，包括所 有的曲线。实际的曲线经过插值，得到能够模拟曲线的一系列小的线段，曲线越 细致，线段的数量就越多。但在虚拟现实系统中，需要实时生成图像，样条曲线 插值后形成线段，每次重绘都要进行大量的计算这样将大大影响图像的生成速 度，使得画面不连续，根本不可能令人达到沉浸感。另一方面，由于虚拟现实场 景大部分是处于动态的，某些细节不需要过分精细。这样，就可以在视觉不易察 觉的情况下，减少不必要的细节，侧如非常光顺的样条曲线。实际上，现在大多 数的虚拟现实系统都不支持样条曲线。因此，c r e a t o r 的设计者在设计建模工具 时，也没有设置样条吐线工具。这样的好处显而易见，模型大大精简，使虚拟现 实系统的显示速度大大加快。 但是这样又回出现新的问题，如果按照上述方法所生成的圆柱，从侧面看 不是成了棱柱? 这个问题一般是这样解决的。在建模时利用梯度纹理( 也叫强化 插入阴影法) ，来对模型进行描绘。它是基于每块多边形顶点的法线去描述虚拟 物体的表而，在不增加面片数量的情况下使得模型表面光滑地过渡。下图就是没 有利用梯度纹理和各种梯度纹理效果的比较。 图2 5 四种不同的阴影模式 0 虚拟现实在三峡升船机仿真中的应用 四个个模型都是1 2 边形拉伸形成的棱柱，左边的是利用c r e a t o r 中g o u r a u d s h a d i n g 后的效果。c r e a t o r 有四种加入阴影的模式( s h a d i n gm o d e s ) ，分别为 f 1 a t 模式，l i t 模式，g o u r a u d 模式和l i tg o u r a u d 模式。f l a t 模式仅仅是把各 个面的颜色显示出来，而不考虑面的材质和灯光的效果，如上图左一；l i t 模式 则考虑每个点的法向量，根据各个点的法向量进行阴影插值，并且考虑灯光的效 果，形成的阴影是动态的；g o u r a u d 模式是根据点的颜色进行阴影插值，形成的 阴影是静态的；而l i tg o u r a u d 模式则既要考虑点的发现方向，有要考虑点的颜 色，是上述两种阴影插值的结合。以上四种阴影插值方式根据不同的需要而有不 同的应用。 相对于3 d m a x ，c r e a t o r 不支持模型的布尔运算等功能。布尔运算是3 d m a x 中常用的建模工具，经常用来创建形状复杂的物体，这样就形成了大量的凹面， 而很多实时现实显示系统的显卡是不能正确处理凹面的显示的，因为凹面不能被 系统自动正确的分解为三角形，所以容易出现显示不正确的情况，影响整体效果。 实际建模过程中，应当尽量避免出现凹面的情况，但是我们在建模过程中大部分 的模型是由3 d m a x 模型导入的，不可避免的导入了部分凹多边形。为了避免显示 的不正确，我们利用m o d i f yf a c e 工具组中t r i a n g u l a r 工具，对凹多边形进行 切分，切分成多个的三角形。这样切分出的三角形将影响c r e a t o r 生成的文件的 大小，由于面片数量增多，必将导致文件的增大，但这对最终的显示速度是没有 影响的，因为显示时，所有的多边形都要被分成三角面片。 零鬻 图2 6 凹多边形的三角化 除此之外，c r e a t o r 还具有对模型进行移动，复制，切割等一般功能，也可 以直接通过属性窗口，对组、对象、面、点的属性进行设置，例如点的法线方向， 面的阴影方式等等。总之，用c r e a t o r 建模工具的相对精简和多样的编辑方法形 成了鲜明对比。精简的建模工具，使得创建模型相对简单，而多样的编辑方法则 使得这些相对简单的模型呈现出了较好的视觉效果。但是精简的建模工具也在一 定程度上增加了建模的困难，我们一般采用的方法就是利用3 d m a x 建模，然后导 入c r e a t o r ，利用c r e a t e r 对模型进行简化处理。 上海充通太学硕士论支 3 贴图方式 贴图是整个建模过程中非常重要的一个环节。因为贴图的处理将直接影响到 卿看效果。好的贴图可以使相对简单的模型栩栩如牛，而复杂的模型，如果没有 好的贴图也依然是没有生气的。c r e a t o r 有四种基本的贴图方法，投影式贴图， 立方体式贴图，球体式贴图以及柱体式贴图。这四种基本方式已经可以基本完成 所有的贴图工作。投影式贴图，是我们最常用的一种贴图。这种方法不仅可以给 单个面贴图，而且还可以对一个由数个多边形组成的复杂表面进行贴图。在 c r e a t o r 最新的版本中除了这四种最基本的贴图方法，还有了新的扩充。例如投 影式贴图，除了以前版本的三点投影，现在增加了四点投影，增加了投影贴图的 灵活度。 c r e a t o r 为了便于贴图的管理对有专门的贴图面板( t e x t u r ep a l e t t e ) ，对于面 板中的每副图片，双击后可以打开图片的属性窗口。其中包括图片的格式，大小， 包装方式( 是重复贴图还是只贴一次) ，以及图片的默认方向和原点等等。 这样，c r e a t o r 就可以从贴图和贴图方法两个方面对贴圈进行处理，人大得增 加了灵活度。除此之外，c r e a t o r 还提供了两个对贴图进行细致调整的工具8 点 校正工具( e i g h tp o i n tw a r pt e x t u r et 0 0 1 ) 和u v 调整工具( m o d i f yu v s ) 。这两 种贴图调整方式也是c r e a t o r 所特有的，在实际贴图过程中用处非常大。 前者是先选定贴图的8 个参考点，然后对每个点的坐标进行调整，知道调整 到预期的效果；后者则利崩u v 坐标系( 图片本身的坐标系，区别于实际模型的 x y 坐标系) ，调整一个面片或一组面片顶点的u v 坐标来达到预期效果。如下 图。 图2 7 投影贴图方式图2 8 贴图面板 虚拟现实在三峡于_ 船机仿真年的应用 图2 98 点校正工具 4 特殊功能 图2 一1 0u v 调整工具 c r e a t o r 并非单单是一个建模工具，它地特长在于对模型地预处理方面。它 可以根据虚拟现实系统地要求对模型进行适当得处理，除了上述建模和贴图的功 能外，c r e a t o r 还提供了其他一些针对于虚拟现实系统的一些特色工具例如 l o d ，b s p ，d o f ，t e r r a i n ，r o a d 等工具。 l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 顾名思义，就是模型精细程度。如果模型离视点比 较远，则不需要太细致的模型来进行描述，越远的模型，精细度就越低，越近的 模型，精细度就越高。这样的好处是可以减少远处物体的面片数量从而达到加快 显示速度的目的。目前。l o d 技术已经广泛地应用于各种虚拟现实系统。在 c r e a t o r 种i ，o d 节点都包含切换距离，信息，既在视点与模型的距离达到某个数 值时，判断用哪个精细度等级的模型。 通过g e n e r a t ei o d 工具可以根据高精细度模型自动生成低精细度的模型。 它的原理如图2 - 1 1 。首先把精细的模型用网格进行划分网格的间距可以根据 模型所需的精细度进行划分。模型e 在同一个网格中的点都聚合在一个聚合 ( s n a p ) 点上，默认的聚合点时网格的中心点。当然这样甲均的划分网格必将导 致一些问题，所以在利用c e n e r a t el o d 后一般需要进行手工调整。 图2 一l i 形成l o d 前的网格划分 上海交通大学硕士论文 c r e a t o r 提供三种显示方法，f i x e d1 i s t 、z b u f f e r 和b s p 。f i x e d1 i s t 把节点 按照整个数据库遍历的顺序进行描绘，这种方法不用判断视点的位置，所以描绘 起来最快，但是这样描绘出来的场景常常是错误的。而z b u f f e r 方法是比较各 个物体和视点之间的相对位置，根据和视点间距离的大小安排描绘的顺序，这种 方法描绘起来最慢，但却是绝对正确的。b s p 方法则是在两个节点或物体之间插 入一个二分面，和视点不在二分面同一测的物体先被描绘出来，和视点在二分面 同测的物体后被描绘出来。这种方法的描绘速度界于以上两种方法之间，但是对 于相交的物体，或者说是有公共部分的物体，这种方法所得到的结果就不正确了。 因此，这种方法经常需要和f i x e dli s t 方法合用，对于无法用二分面划分得物 体按照数据库遍历顺序进行描绘。 b s p ( b i n a r ys e p a r a t o rp l a n ) 工具用来把整个数据库或者是数据库中的某 些节点进行b s p 处理。b s p 正确显示的条件有以下三个： 组成一个多边形所有的点必须共面。； 所有的物体都不能相交； 二分面不能和任何模型相交； b s p 工具可以对数据库进行检查和诊断，并把不符合上述条件的模型用凸壳 ( c o n v e xh u l l ) 表示出来。 d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) 工具用来定义节点自身的坐标系统。例如旋转的 坐标轴，比例放大缩小时的参考点位置等等。 t e r r a i n 工具是c r e a t o r 中非常具有特色的工具之一。它能将d e d ( d i g i t a l e l e v a t i o nd a t a ) 文件转化为三角面片形成的地形文件。而这种d e d 文件的来源 可以是d t e d 或者是d e m 文件，也可以从图片直接转化得到。这样，c r e a t o r 工 具就可以直接利用航拍照片进行地形的模拟，而且通过这个工具包，还可以自动 插入地形模型的l o d 大大方便了地形的制作。 r o a d 工具用来形成公路。通过其中的参数设置，用户可以自己定义公路的宽 度，转弯半径等等。 二e o n 软件的介绍 e o ns t u d i o 是e o nr e a l i t y 公司虚拟现实系列产品中的一个，e o as t u d i o 主要是进行场景控制。 目前，一个虚拟现实系统的实现，一般需要完成两个方面的工作，一方面是 虚拟场景的建立，或者说是建模，另一方面就是对虚拟场景的控制。而e o n 就是 完成后面这项工作的软件。e o n 基本上没有什么建模能力，只能对现有的模型进 行缩放，定位等少量功能。它的主要功能是利用程序对场景中的节点，物体进行 控制。e o n 软件能够导入现在大多数3 d 模型文件，包括流行的o p e n f l i g h t 的f l t 、 虚拟现实在三峡升船机仿真申的应用 3 d s 、d x f 、p r o e 的s i p 以及l i g h t w a v e 的1 w 文件等等。模型文件输入后，可 以根据用户需要把模型转化为x 和e o x 文件，并能够调节若干参数，在一定程度 上对原模型文件进行简化。 e o n 主要界面如图2 1 2 。其主窗体下有三个子窗体，左边的为组件 ( c o m p o n e n t ) 窗口，中间的为模拟树( s i m u l a t i o nt r e e ) 窗口，最右边为路径 ( r o u t s ) 窗口。 组件窗口中列出了组成模拟树的所有节点( n o d e ) 以及原型( p r o t o t y p e ) 。 节点是构成虚拟场景的基本元素，e o n 软件按照它们的功能进行了分类，其中有 搭建整个场景的基本节点( b a s en o d e s ) ，对节点运动进行控制的代理节点( a g e n t n o d e s ) ，对物体进行碰撞检测的碰撞检测节点( c o i l i s i o nd e t e c t i v en o d e s ) ， 力反馈节点( f o r c ef e e d b a c kn o d e s ) ，感应节点( s e n s o rn o d e s ) ，环境节点 ( s p e c i a l f xn o d e s ) 以及对大型的复杂场景进行模块化控制的数据流节点( f l o w n o d e s ) 等等。尽管e o n 软件已经提供了很多的节点，但真实世界的变化是无穷 无尽的，不可能把所有的运动方式，控制方式等都做成节点。为了增强软件的适 应能力，软件中设立了脚本( s c r i p t ) 节点。s c r i p t 节点就是一段段脚本程序， 用户可以根据自己的需要设置该节点与外界的接口，变量等等，这就大大方便了 使用者。e o n 中支持v b s c r i p t 和j a v a s c r i p t 两种脚本语言。 原型是基础节点的组合，几个节点经过组织共同完成某种功能。例如，在e o n 种只有w a l k 节点，可以用来在整个场景种四处漫游，但只能是在同一平面内漫 游，如果想要在立体空间内任意走动就只能自己编写脚本来完成了。e o n 中已经 自带了这种原型s u p e r m a n ，这个原型就象它的名字一样，让人能够在虚拟空 间中自由翱翔。 模型树窗口用树形式结构清晰得列出了整个模拟( s i m u l a t i o n ) 所有组成部 分。一个s i m u l a t i o n 根节点下有三个子节点：场景( s c e n e ) 节点、视窗 ( v i e w p o r t s ) 节点、图形用户界面运动模式( g u i a w a r e m o t i o n m o d e l s ) 节点。 这些节点下都有自己的节点，每个节点都有自己的属性。 场景节点中容纳了所有描述实体模型、声音、运动、以及对他们进行控制的 节点，这些节点又可以根据需要添加自己的子节点。默认的场景节点中包含了相 机( c a m e r a ) 节点、灯光( l i g h t ) 节点、以及一个空的框架( f r a m e ) 节点。这 些都可以在场景的创建过程中根据自己的需要进行调整。每个代表场景中实体的 节点，例如f r a m e 类的节点，都有自己的位置属性，标明了x y z 坐标和h r p 旋转 坐标。c a m e r a 节点实际上就是一个f r a m e 节点，它的位置就代表了视点的位置， 移动它就移动了视点。 视窗节点下可以有多个子视窗节点，每个子视窗节点都有自己的位置，大小 等属性，它们和f r a m e 节点共同作用，形成用户最终看到的视窗。f r a m e 节点决 定视点位置，子视窗节点决定视窗的大小、在整个窗口中的位置以及摄像机的视 上海交通大学硕士论文 角等参数。这种功能使得同一个窗口中可以有多个视窗，可以实现画中画功能。 但它有一个明显的缺陷就是，所有视窗中的场景都要重复计算、渲染。如果有两 个视窗，数据