（电力系统及其自动化专业论文）虚拟地铁场景的建模与仿真.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dm a t u r eo fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , t h ev i r t u a l r e a l i t yt e c h n i q u e sa r ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nm a n yf i e l d s a tp r e s e n t ，v i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di ne n t e r t a i n m e n t ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，e n g i n e e r i n ga n d a r c h i t e c t u r e ，e d u c a t i o na n dt r a i n i n g w h e nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nat r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ， t h ed r i v e r sc a ng e te f f e c t i v et r a i n i n gw i t ha d v a n c e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi s v e r yi m p o r t a n tb e c a u s et h ep r e s s u r eo ft r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m i no u rc o u n t r y c a nb er e l i e v e d a n da tt h es a m et i m e ，i tc a na l s oh e l pt oa v o i de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ， d e c r e a s ee n e r g yc o n s u m i n g ，a n dl e s s e nt r a i n i n gc o s t v i s u a ls y s t e mi sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n to fat r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ，i ti sak e y f a c t o rt oe v a l u a t ew h e t h e r t h et r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sa d v a n c e do rn o t ，i ti sa l s oap r i n c i p a lc o n d i t i o n t oe n s u r et h et r a i n i n ge f f e c t t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h et r a i n d r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m a th o m ea n da b r o a d ，s i m u l t a n e o u s l ye l a b o r a t e di t s s i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y s e c o n d l y , t h em o d e l i n gt o o l s i sd e t e r m i n e db ys y s t e m r e q u i r e m e n t ，v c + + 6 0a n dv e g aa lea d o p t e dt o c o n s t r u c ts i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n d t h e nt h es y s t e md e v e l o p m e n tp r o je c ti sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so ft h e m t h e r ea r e s e v e r a lr e s e a r c ha s p e c t si nt h ep a p e r ： ( 1 ) 3dm o d e lt r a n s f o r m a t i o na n dg r a p hp r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n3 dv i e w s i m u l a t i o ns y s t e m ， ( 2 ) c o n s t r u c tt h es u b w a yp l a t f o r ma n dt h et r a c kl i n e3 dm o d e ld a t a b a s e ( 3 ) 3 dr e a l t i m ev i e ws i m u l a t i o ns y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dd r i v es o f t w a r e d e v e l o p m e n t i nt h e s et h r e ea s p e c t s ，3dm o d e lb u i l d i n go fs u b w a ys t a t i o na n dt r a c ki sk e y q u e s t i o nt ob es o l v e do ft h ep a p e r o n3 ds c e n em o d e l i n g ，w i t ht h eo p e r a t i n gd a t ao f t h ep r e s e n ts u b w a yr u n n i n go nt h et r a c ka n dr e a lp h o t o g r a p h s ，m a k e s3 dm o d e l i n g f o rr u n n i n ge n v i r o n m e n ta n da c h i e v e st h er e a ls c e n e t h ed e v e l o p m e n to f3 dd r i v e s o f t w a r ei st h ep a p e rd i f f i c u l t y , w h i c hi n c l u d e sr e a l t i m es c e n ed r i v i n ga n dn e t w o r k a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o n i nt h ee n d ，t h el i m i t a t i o n so ft h ew o r ka r es u m m a r i z e da n dt h er e s p e c t so ft h e f u t u r ew o r ka r ea l s oo u t l i n e d k e yw o r d s ：3 ds c e n es i m u l a t i o n ，m u l t i g e nc r e a t o r , v e g a ，3 dm o d e l i n g 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 答。龟罚 秒。g 年弓月8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 多、也a 日 沙d s 年；月宫日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 随着我国城市化进程的加速，城市交通需求的矛盾越来越突出。因此，城 市轨道交通的作用越来越受到人们的重视。城市轨道交通作为现代城市交通的 骨干，提供了快速、高速、畅通的出行方式，为缓解城市交通发挥了积极的作 用。 城市轨道交通系统是一个复杂的、技术密集的公共交通，它具有高度集中 和各个工作环节紧密联系、协同工作的特点，其中列车运行控制系统则是整个 系统的核心。应用列车运行控制系统是确保列车安全、畅通运行的重要手段【l j 。 列车运行控制系统是将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与铁路信 号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统。它是现代保障铁路行车 安全、提高运输效率的核心，也是标志一个国家铁路技术装备现代化水准的重 要组成部分l z 】。 由于城市轨道交通系统的高使用率以及对安全性的相关要求，因而不可能 对已经建成的某条线路进行长期和全面的技术实验，从而改进系统性能，这样 将计算机仿真技术应用到城市轨道交通系统的模拟仿真上也就成了一种必然的 发展方向。由于列车运行控制系统在城市轨道交通系统中的地位及其复杂性， 使得针对此次系统的仿真平台建设一直就是铁路相关科研院所的热点。 视景仿真技术是仿真技术和计算机图形学最新成果的结合。它充分利用人 的视觉特性，通过图形和动画来表达各种信息。特别是，利用三维模型实时有 真实感动态显示技术，以及虚拟现实技术，可以实现驾驶仿真、虚拟现实以及 其它实时动态仿真系统的图形显示，因而成为近年来的研究热点之一。 随着城市地铁、轻轨项目的建设，越来越多的新型列车投入使用，对列车 司机要求也水涨船高，因此地铁运营部门对司机进行技术培训的要求也更加紧 迫。采用列车驾驶仿真系统( t r a i nd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ) 来培训司机是一 种非常有效的方式，视景仿真系统作为列车驾驶仿真系统的重要组成部分，可 以直观地观察并控制地铁列车在车站及隧道中地运行状况，该仿真系统具有安 第1 章绪论 全性、可控性、经济性、无破坏性、可重复性等特点。 列车驾驶仿真系统生成的虚拟驾驶环境是否逼真，取决于驾驶员对此环境 的主观感觉是否真实。人对环境的感知主要是通过视觉、听觉、触觉以及重力 觉等。实验表明，人的信息感知约有8 0 是通过眼睛获取的，所以，视觉感知的 质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位。因而，视景仿真系统效果 的好坏直接决定虚拟环境是否逼真，从而影响驾驶员的培训效果。 本论文主要任务是作为整个地铁列车驾驶仿真系统的一个组成部分，开发 出应用视景仿真技术、从司机视角观察到的车站、线路、信号的地铁列车实时 运行视景仿真平台，在此基础上总结应用于城市轨道交通列车运行仿真测试的 视景仿真系统开发方法和步骤，并针对丌发中遇到的一些重点问题进行分析， 并提出可行的解决方案。 1 2 列车驾驶仿真系统简介 1 2 1 列车驾驶仿真系统的结构和组成 列车驾驶仿真系统硬件结构及视景仿真系统如图1 1 所示。图中的右部为仿 真系统的主体结构，左部的教员监控台和训练观察室为辅助部分。司机室、视 景生成及投影系统、声音系统和运动平台用于环境模拟，而主控计算机和各种 计算机组成的局域网主要用于性能模拟。其中，列车性能模拟通过建立列车性 能方面的数学模型，如列车牵引计算模型和列车逻辑控制模型，实时仿真模拟 出列车的运行性能；列车环境模拟是通过视景仿真系统、声音系统和运行仿真 系统来模拟列车的运行环境，它是列车驾驶仿真系统逼真程度的体现。 第1 章绪论 图1 1 列车驾驶仿真系统的硬件组成 下面简述几个主要组成部分： ( 1 ) 司机室。列车驾驶仿真系统的司机室与所模拟的列车司机室有完全相 同的外形与尺寸，室内所有的设备也是完全复制真实列车的。列车驾驶仿真系 统的部分功能可以用司机操纵台，即，司机的操纵界面可以是真实的。 ( 2 ) 视景仿真系统。该系统主要由视景生成和视景显示两部分组成。视景 生成由计算机生成图形，利用图形学原理生成列车行车线路及场景；视景显示 由单通道或多通道的投影仪和屏幕组成。 ( 3 ) 音响系统。用于产生司机室内部噪声，尤其是与列车故障有关的一些 声音，要求有较高的逼真性。扬声器布置于司机室内。 ( 4 ) 司机室运动系统。有垂向、横向、纵向、横摆、点头和摇头等6 个自 由度，以模拟列车运行过程中的各种姿态。 ( 5 ) 计算机系统。由多台计算机组成局域网，形成分布式体系结构，完成 各系统的模型计算和控制任务。 ( 6 ) 教员监控台以及内部通讯系统。教员在台上指挥和控制司机培训的全 第1 章绪论 过程。通讯系统包括司机室内闭路电视( 用于观察司机培训的全过程) 和司机 室与教员监控台之间的双向通讯设备。教员可模仿系统调度员、另一列车司机 或乘客与司机进行联络。 ( 7 ) 训练观察室。有多台监视器可供观摩人员观看培训过程。 ( 8 ) 机器间有多台机柜，集中了计算机、电源等硬件设备。 列车驾驶仿真系统具有逼真的驾驶环境和完善的性能模拟，其主要功能有： ( 1 ) 在列车驾驶仿真系统上可以进行正常操纵、故障操纵及应急处理能力 的培训。可模拟a t p 或a t 0 等列车自动控制的全部功能，并能设置故障和排除故 障。 ( 2 ) 教员可以开展各种不同的训练课程，也可改变训练条件；可按一定规 律进行列车编组，即动车、拖车位置及数量按编组要求设置，如4 辆、6 辆或8 辆 编组，也可以固定编组方式进行模拟操纵；也可任意选择培训区间；可设置行 车险情，并能改变天气状况，如雾、雨雪、黄昏、黑夜等。 ( 3 ) 在列车驾驶仿真系统上对培训司机的操纵有完善的数据记录及分析处 理功能，并能对培训司机操纵水平有较正确的评定和合理的考核。 1 2 2 国内外列车驾驶仿真系统的发展现状 列车驾驶仿真系统具有训练安全可靠、训练费用小、不会影响正常行车、 故障及操作失误可重复等优点，可应用于司机驾驶培训、优化操作、机车配置、 事故分析和线路设计等领域。采用列车驾驶仿真系统进行司机培训，可大大缩 短司机的培训周期，在降低培训成本的同时又能培养出高水准的司机。 在国外，从2 0 世纪7 0 年代开始，美国、澳大利亚、前苏联、南非等国开发 都进行了重载列车的研究，在这些工作的基础上，美国、澳大利亚、英国、法 国等国家开发出了列车驾驶仿真系统，并在各国铁路部门得到了广泛的应用。 澳大利亚2 0 世纪8 0 年代开发了重载列车驾驶仿真系统，用于培训重载列车 司机。它的培训效果是很明显的，在从矿山到港口的2 0 长大下坡道上牵引重 载列车，原先每月平均要拉断1 1 次车钩，自从采用模拟器培训司机后，使用统 一规范化操作规程，六个月内都未曾断过一次车钩。 美国铁路从上世纪8 0 年代初开始使用t d a y l j 车驾驶仿真系统培训司机和进 行工程分析。1 9 9 7 年研制成功的t d s 一4 0 0 0 型交互式货运列车驾驶仿真系统就是 4 第1 章绪论 一种针对重载货运列车的仿真系统。 法国在8 0 年代后期发生了一系列行车事故，从安全角度出发，1 9 8 8 年法国 国家铁路( s n c f ) 开始使用列车驾驶仿真系统培训司机，收到了很好效果，到 1 9 9 1 年法国铁路的列车驾驶仿真系统就增加到了3 6 台。最近几年来法国的重点 是发展高速列车驾驶仿真系统。 英国铁路每年都要培劫t 1 6 0 0 多名司机。他们最早使用的是两台移动式列车驾 驶仿真系统，其杰出的培训效果，促使他们购买了许多具有基本功能的普及型 列车驾驶仿真系统安装在全国各机务段使用。9 0 年代中期英国建造了高档列车 驾驶仿真系统，使用了虚拟现实( v r ) 技术，装备了a t 0 等先进设备使列车驾驶 仿真系统功能更加完善，技术更加先进。 在欧洲的其他国家，各类列车驾驶仿真系统也得到了广发的应用。如比利 时国家铁路( s n c b ) 使用的s i m t 2 7 型列车驾驶仿真系统、丹麦国家铁路( d s r ) 使用的i c 3 与i r 4 型列车驾驶仿真系统、奥地利联邦铁路( o b b ) 使用的1 0 4 4 型 列车驾驶仿真系统等。 在亚洲，韩国、香港、日本等城市地下铁道普遍采用列车驾驶仿真系统培 训司机和进行司机资格考试。近年来，伊朗、印度等国家也开始采用列车驾驶 仿真系统进行司机的培训与考核工作。 我国于上世纪8 0 年代后期研制成功了列车驾驶仿真系统，目前超过半数的 机务段、司机学校配置了列车驾驶仿真系统，为我国铁路列车司机培训起到了 很好的作用。上海地铁从德国k m w 公司购买了地铁列车驾驶仿真系统进行地铁 司机的培训与考核。香港地铁目前有四台列车驾驶仿真系统，1 9 8 8 年初在国际 招标中向韩国购买了一台新的列车驾驶仿真系统，同时对原有三台列车驾驶仿 真系统进行技术改造，主要是将原有的视景系统( 基于l d ) 改造成计算机图像 生成( c o m p u t e rg e n e r a t e di m a g e ，简称c g i ) 系统。 现在，国外的全功能列车驾驶仿真系统通常采用分布式体系结构，c g i 方式 生成视景。由于受投资的限制，我国目前投入使用的列车驾驶仿真系统，基本 上属于普通型或普及型，普遍采用数字视频方式生成视景。在真实感( 视景仿 真、运动姿态模拟等) 、操纵评价和优化操纵指导等方面与国际先进水平有一 定的差距，迫切需要不断提高列车驾驶仿真系统的性能，建立一套完善的列车 驾驶培训和考核体系。 第1 章绪论 1 3 视景仿真技术在列车驾驶仿真系统中的应用 1 3 1 视景仿真技术概述 视景仿真技术( v i s u a ls 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，是虚拟现实技术最重要的表现形式，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。视景仿真是 根据仿真的目的，构建仿真对象的三维模型或再现真实的交互式仿真环境，使 用户具有身临其境的沉浸感，并可实现用户与该环境进行自然交互1 2 j 。 在认识世界中，视景仿真技术不仅因其有效、经济、安全和直观的特点， 受到广泛的重视。更因为其能够帮助人们建立一个具有身临其境的沉浸感的、 可交互的、能促进构想与创造的环境，而被广泛地应用到各类人员训练、城市 规划、工程设计、石油勘测、古迹重构、娱乐及军事训练等众多领域。运用专 业的交互式三维建模工具和视景仿真开发软件，可以增强视景仿真系统的功能， 改善视景仿真的效果。列车驾驶仿真系统便应用了这种真实感视景仿真技术。 1 3 2 视景仿真技术在列车驾驶仿真系统中的应用现状 随着计算机软硬件的飞速发展，基于p c 机平台的视景仿真系统的开发和应 用日益广泛。针对列车驾驶仿真系统的视景仿真应用也成为近些年来的研究热 点。 我国视景仿真技术应用于轨道交通方面的研究主要是随着8 0 年代末9 0 年 代初列车提速以及各大城市地铁和轻轨建设而兴起的，其主要目的是作为列车 司机培训的一种辅助工具，这种系统中普遍采用的视景仿真技术是采用数字视 频压缩与实时解压缩回放的仿真技术，比较有代表性的是上海同济大学开发的 上海地铁三号线司机驾驶仿真系统。 6 第1 章绪论 图1 2 上海地铁三号线司机驾驶仿真系统 从图1 2 中可以看出，此仿真系统的视景部分为三号线实拍的影像。列车的 车速可以控制视频解压缩的播放速度，而信号机的变换则叠加到回放图像上， 车载设备则是实物。 采用这种方式开发的视景仿真平台作为短期培训可以起到较好的效果，但其 缺点也是很明显的。首先是由于影像全部来源于实拍，因而其可扩展性及其灵 活性不足。比如说针对一些特殊情况，例如地铁隧道内发生各种突发性事件就 不好模拟；其次，这种平台只能针对已经存在的线路进行培训，如果线路尚未 建成，或线路不便于进行实拍，这种方法就无能为力；再次，由于原始影像是 列车以固定速度运行时进行的拍摄，因而在仿真中如果模拟列车高速低速运行 的情况下图像就不可避免的出现品质变差的情况，对受培训的司机影响很大。 所以这种技术存在着较多的不足，在要求较高的仿真系统中已经不再采用。 欧美特别是欧洲国家的铁路事业发展较之国内比较早，技术也比较成熟、全 面，其配套的仿真平台以及培训平台的技术含量相应较高。从法国、德国瑞典 以及西班牙等发达国家的列车培训平台建设来看，普遍采用纯三维视景仿真技 术。比如说，西班牙c i t e f 公司为欧洲高速列车开发的培训平台，其基本思路 与上面提到的同济大学的仿真平台相同，只是视景部分为纯三维显示，如下图 1 3 所示。 7 第1 章绪论 图1 3 两班牙c i t e f 公司高速列下开发培训平台 从结果来看，采用纯三维视景仿真技术较好的解决了上述的几个问题，显示 效果获得了极大的提升，因而在欧洲这种方法被普遍采用，已经成为一种较为 流行且成熟的技术。 通过上述对比我们可以看出，在三维视景仿真技术成为列车运行仿真平台建 设的主流技术的今天，丌发出我国自己的符合国际潮流的列车运行控制三维视 景仿真平台已经成为当务之急。 1 4 课题的研究内容 1 4 1 项目来源 本课题是基于上海同济大学与上海工程技术大学合作开发的上海轨道交通 三号线地铁列车驾驶仿真系统项目。 本论文主要进行视景仿真系统的研究与开发，视景仿真可分为仿真环境制 作和仿真驱动。仿真环境制作主要包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作 等，它要求构造出逼真的三维模型和制作出逼真的纹理；仿真驱动主要包括场 景驱动、模型调动处理等，它要求高速逼真地再现仿真环境、实时响应、交互 操作等。 1 4 2 课题研究的内容 本课题研究的内容主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 使用m u l t i g e nc r e a t o r 建立地铁列车运行环境的三维模型实体和地形环 境数据库，用于保存三维实体和地形环境的外观、几何和物理信息。 ( 2 ) 大规模场景中多层次细节模型( l o d ) 、纹理技术的最佳匹配比，综 第1 章绪论 合考虑运行速度和视觉的效果。 ( 3 ) 场景模型的有效管理和调度，尽可能地简化场景的复杂性，提高视景 系统中程序运行的效率。 ( 4 ) 场景漫游，主要包括场景生成、手动漫游、自动漫游、快速定位和多 通道显示等内容。场景生成包括三维模型导入、场景相关资源的创建( 如场景、 相机、帧缓存、光照、鼠标、键盘等) 等内容；手动漫游需要实现用户通过操 作鼠标或键盘自由的控制视点对三维场景漫游与观察，实现实时交互；自动漫 游是指用户无干预的漫游，漫游的路径事先录制，用户可以退出，不能进行其 它操作；快速定位指用户通过按键或点击鼠标进行视点快速切换。 ( 5 ) 网络通讯，视景仿真系统通过其将操作信息传递给列车驾驶仿真系统， 列车驾驶仿真系统通过这些信息进行逻辑判断和科学计算，并将计算结果传送 给视景仿真系统，视景仿真系统再根据这些计算结果表现相应的现象。 1 5 本章小结 本章首先对列车驾驶仿真系统的组成进行了分析，并对列车驾驶仿真系统 的应用以及国内外发展状况、视景仿真系统在列车驾驶仿真系统上应用等内容 进行了简要的介绍。在此基础上，对项目来源、课题研究的内容做了介绍说明。 9 第2 章虚拟场景系统总体设计 第2 章虚拟场景系统总体设计 2 1 场景建模工具的选择 场景实体模型是地铁列车驾驶视景仿真系统的重要组成部分，只有基于真实 的路轨环境，建立逼真的场景模型，才能给驾驶员一种真实的行车感。一般而 言，虚拟场景中实体模型的建立通常采用以下两种方式： 一种是采用软件平台中提供的底层图形函数实时生成实体模型，然后给它 赋予材质和纹理，使其更具有真实感。这种建模方式的优点是系统资源耗费少， 程序设计是模型的调度和控制比较灵活；缺点是模型的建立过程比较复杂，要 求建模者具有较强的编程功底和扎实的计算机图形学知识。因此，这种方式只 适合场景中简单几何形体的建模。 另一种建立实体模型的方式是采用三维建模软件，如3 d s m a x 、m u l t i g e n c r e a t o r 、m a y a 、a u t o c a d 等。这种方式的优点是这些建模工具的使用非常简单， 而且效率很高，利用它们可以方便地完成复杂形体的建模。因此，地铁列车驾 驶仿真系统的视景系统中的绝大部分实体模型都采用这种方式创建。 下面针对一些三维建模软件进行比较说明： ( 1 ) m u l t i g e l lc r e a t o r m u l t i g e nc r e a t o r 是美国m u l t i g e n p a r a d i g m 公司的开发的新一代实时仿真 建模软件，是世界领先的实时三维数据库生成系统，其性能优越，稳定性好， 在虚拟现实和仿真领域得到了广泛的应用。m u l t i g e nc r e a t o r 的构想和设计宗旨 是把最强有力的建模工具交给三维仿真的开发建设人员，它将多边形建模、矢 量建模和地形生成集成在一个软件包中，能方便地进行矢量编辑和建模、地形 表面生成。同时，m u l t i g e nc r e a t o r 为用户提供创建和编辑数据库文件地可视化 环境，并使用统一的图形数据格式o p e n f l i g h t 对模型进行统一的编排和管理。 o p e n f l i g h t 数据格式是m u l t i g e nc r e a t o r 的根基，是一种分层结构地场景数据库， 提供细节层次、多边形裁剪、逻辑删减、绘制优先级、分离平面等先进地实时 功能，现在这种数据格式已成为视景仿真领域事实上的行业标准，许多重要地 v r 开发环境都与它兼容。m u l t i g e nc r e a t o r 还提供了与其他建模软件进行数据 格式转换的工具，可以轻松引用3 d s 、v r m l 、a u t o c a d 等多种数据格式的模 1 0 第2 章虚拟场景系统总体设计 型文件。此外它还具有动态重组数据库、动态生成仪表、地形实时生成等功能。 目前，在航天、娱乐、虚拟现实、视频播放以及计算机辅助设计、建筑工程、 教育培训、金融分析、电子技术和军事训练仿真等仿真及可视化领域中，m u l t i g e n c r e a t o r 得到了越来越广泛得应用。 ( 2 ) 3 ds t u d i om ：a x 3 ds t u d i om a x 是a u t o d e s k 公司的一款三维建模、渲染、动画制作软件， 主要支持w i n d o w s 平台，具有多线程运算能力，支持多处理器的并行运算，建 模和动画能力丰富。其最大的优点在于插件丰富，缺点是场景渲染质感相对较 差，渲染速度较慢。 ( 3 ) a u t o c a d a u t o c a d 是一个开放型的c a d 软件包，用它绘制图形具有极高的精度， a u t o c a d 的双精度浮点运算可以精确到小数点后1 6 位。它提供了丰富的基本绘 图对象，具有完善的图形绘制功能和编辑功能，内含a u t o l i s p 语言和a d s a r x 开发系统，利于用户进行二次开发。广泛应用于工业设计的各个领域，如机械 制图、工程图、布线图等。a u t o c a d 能够把三维模型输出为精美的、符合工业 标准的工程图纸。但它的缺点是灯光渲染和动画能力不够强。 ( 4 ) m a y a m a y a 集成了a l i a s w a v e f r o n t 最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一 般三维视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发 渲染、运动匹配技术相结合。m a y a 可在w i n d o w sn t 与s g ii r i x 操作系统上运 行，具有渲染效果真实，动态光影追踪等特点，是一个极佳的广告动画制作软 件。 2 2 仿真平台的构建 在视景系统的开发中，场景的驱动控制可以用多种方式来实现，一般需要 根据项目的具体要求做出合理的选择。目前，很多图形系统中对场景控制都是 通过调用o p e n g la p i 来实现的，d i r e c t 3 da p i 和g l i d ea p i 也有十分广泛的应用， 这些a p i 提供了强大的编程灵活性，借助它们可以实现图形系统中的绝大部分功 能。然而，要熟练掌握和应用这些a p i 需要相当长的时间，系统开发人员还必须 具备扎实的编程基t t t _ j f n 图形学知识。同时，由于这些a p i 直接和硬件打交道，有 第2 章虚拟场景系统总体设计 时不得不在一些重复性的细节上耗费大量的时间，用它们来进行列车驾驶仿真 系统开发的难度较大，周期也相对较长。 一些商业的视景软件开发包将这些底层的图形a p i 封装起来，可以让用户把 大量精力放在核心功能的开发上，而不用在一些繁琐的细节上花费太多的时间， 因此，可以大大提高开发的效率。目前国内应用较多的三维实时视景软件开发 包有s g i 公司的i r i sp e r f o r m e r 。c g 2 公司的v t r e e 。m u l t i g e n p a r a d i g m 公司的v e g a 以及q u a n t u m 3 d 公司的o p e n g v s 。根据实验室的技术基础和项目的要求，我们 选用m u l t i g e n p a r a d i g m 公司的v e g a 在v i s u a lc + + 集成软件开发环境下完成了地 铁列车驾驶仿真系统视景系统的开发。 2 2 1 交互式实时仿真软件v e g a v e g a 是m u l t i g e n p a r a d i g m 公司丌发的一个面向对象的虚拟现实平台，功能强 大。它是开发实时视觉和听觉仿真、虚拟现实和通用的视频应用的业界领先的 软件环境。它可以方便地完成场景的构建和三维模型的绘制，并支持许多的特 效，使开发者省去许多精力。v e g a 作为一种硬件虚拟现实的软件接口，并且作 为一个独立的工作平台，独立于硬件设备、窗口系统。用它编写的软件可以在 w i n d o w sn t 以及更高级的操作系统问移植，适用平台u n i x 、w i n d o w 9 8 、 w i n d o w sn t 。 v e g a 包括点击式图形用户界面开发环境l y n x ，如图2 2 所示。l y n x 可以在 不需要编写程序代码或重新编译的情况下，通过改变应用的重要参数来对场景 进行预览，从而大大提高了工作效率。应用的功能、视频通道、多c p u 的分配、 眼点、观察者、特殊效果、时间、系统配置、数据库模型等，都可以根据具体 的应用在l y l 中改变。l y n x 支持非编程者在系统交付时，针对最终用户的要求， 对系统进行重新配置。l y n x 提供了几种工具来帮助用户定义其仿真应用，其场 景预览器可以对v e g a 场景以正交或投射的方式进行观察，检查场景相应的坐标 值。主要特点是：图形化界面，指导性的交互操作。v e g a 包括完整的c 语言应用 程序接口，为软件人员提供最大限度的软件控制和灵活性。v e g a 支持多种数据 调入，允许多种不同数据格式综合显示，它还提供高效的c a d 数据转换。 1 2 第2 章虚拟场景系统总体设计 翊麟溯隧缀溺躺缫幽鳓缫麓嗍黼鞘缫幽幽缫幽黼簟期嘲躺蝴幽幽麓幽嘲黝蝴豳期幽黼黛幽篡：i ，i ； l5 * “4 f m + m # m * * “m5 。g j 。j ， 瓣锚 ? 弘 瓣穆 一m 甜 黝描oa 瓣虢嘞姆+ g 孵絮潞。莉“* 攀舔 ” 糍。o ，i 霉。一”1 。珑耱觏，8 缵赫兹瀛施 4 5# 一瓴盯“剃5o 搏t # t 。舢， 滋攀渊 ：篓墨翳二囊鬈荔荔鬻 j 捌 ；。“ v 鬟爹i 溺 鍪黪誊i 鍪蒸 二礁i i i 溯 8 缫彬蓑簇 鬻一 j 缀 黼 纛缓鬻鬻鬻锄黼瓣麓 豳 鬻黧擘 懑攀 纛滋编编籀黛貔鞴獭缭嬲缫缫戮燃 缀穰浚交戮滚磐鬻 图2 2 图形用户界面开发环境l y n x v e g a 是一个建立虚拟现实和实时仿真应用的软件环境。在其集成界面中有 专为d i s 设计的模块，通过设定一系列的系统参数就能够快速地建立一个实时的 仿真应用。同时v e g a 提供了一系列的函数库v e g aa p i ，在v e g ad i sa p i 中有大量 的功能函数可以用于网络间的交互及d i s 网络信息矛i p d u 处理。 2 2 2vis u aic + + 6 o v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 推出的应用非常广泛的可视化编程语言，它提供了 功能强大的集成开发环境，用以方便有效地管理、编写、编译、跟踪c + + 程序， 大大减少了程序员的工作，提高了程序代码的效率。v i s u a lc + + 主要用于w i n d o w s 环境下应用程序的开发，它以c + + 语言为基础，以众多的集成工具为骨架，是计 算机界公认的最优秀的应用程序开发工具之一。目前，v i s u a lc + + 广泛应用于数 据库、网络、多媒体以及图像图形学等众多领域中应用程序的开发，几乎所有 应用程序的开发都可以利用v i s u a lc + + 来完成。m i c r o s o f t 提供了一套称为 m f c ( m i c r o s o f lf o u n d a t i o nc l a s s ，微软基本类) 的程序类库，这套功能强大的 第2 章虚拟场景系统总体设计 m i c r o s o f t 基本类库已经成为设计w i n d o w s 应用程序事实上的“工业标准，它使 得开发w i n d o w s 应用程序比以往任何时候都要容易。m f c 是使用c c + + 创建的， v i s u a lc + + 当然能够最方便地使用m f c 所提供的强大功能，在v i s u a lc + + 环境下， 用户可以利用微软的基本类库m f c 轻松地开发出功能强大的w i n d o w s 应用程序。 v i s u a lc + + 6 0 开发环境十分友善，其高度的可视化开发方式和强大的向导工 具( a p p w i z a r d s ) 能够帮助用户轻易地开发出多种类型的应用程序。大多数情况 下，用户只需向自动生成的程序框架中填充定制代码即可，而且使用c l a s s w i z a r d 还能够大大简化这个过程。v i s u a lc h6 0 中所引入的智能感应技术，可以根据 编辑时代码的输入状态自动将属性、参数信息、数据类型信息和代码信息显示 在一个列表框中，供开发者选择并自动完成单词的输入，或者给出提示，让丌 发者可以摆脱一些繁琐的细节问题，将精力更多地专注于程序设计之上，从而 提高了开发效率。 2 3 系统总体构成 视景仿真系统具有组成模块众多、逻辑复杂等特点，同时涉及三维建模、 计算机图形学，计算机网络、面向对象、系统集成等多方面技术，必须综合考 虑各种因素进行合理的总体设计，才能开发出非常逼真的仿真效果。视景仿真 系统的设计分为仿真环境的制作和场景的仿真驱动。仿真环境的制作主要包括： 模型设计、场景构造、纹理的设计制作、特效设计等；仿真驱动主要包括：场 景管理、场景调度、分布交互、渲染输出等。在系统开发中，利用虚拟现实建 模软件m u l t i g e nc r e a t o r 构建了视景系统的仿真环境，如轨道、树木、房屋建筑、 交通标志、行人以及天空背景等，同时利用其强大的场景数据库管理功能对仿 真环境进行了合理的组织；系统采用三维实时视景开发软件v e g a 对场景进行仿 真驱动，v e g a 封装了繁杂的底层图形驱动函数，利用其提供的功能函数，在仿 真程序中可以方便地实现交互控制和场景地调度，视景系统总体结构如图2 3 所示。 1 4 第2 章虚拟场景系统总体设计 r ； 一一一7 v e g a ：m u l t i g e nc r e a t o r ： 图2 3 列车驾驶仿真系统结构框图 视景系统各子模块地功能如下： ( 1 ) 数据通讯子模块：该子模块具有把数据传送给场景调度模块的功能。 ( 2 ) 三维建模子模块：通过m u l t i g e nc r e a t o r 强大的建模功能建立场景模 型，并将生成的模型数据以数据库的形式组织，供场景调度模块进行调用。 ( 3 ) 场景数据库子模块：该子模块将场景的几何数据和图形属性信息以一 定的规律和方式进行组织和管理，以生成适应快速运算和图形管道流水线处理 的数据。 ( 4 ) 场景调度子模块：该子模块根据列车驾驶仿真系统中数据通讯子模块 传递的信息，对视景数据库进行检索，得到驾驶员视野范围内的场景数据，并 传送给3 d 渲染模块，灯光效果也在该模块中加入。 ( 5 ) 3 d 渲染子模块：该子模块实现虚拟地铁列车相对于周围环境运动画面 的连续显示，每秒显示2 5 帧左右，以类似电影的效果。该模块可以采用帧同步 控制技术，使每帧时间为1 2 5 s ；在这一帧时间内，按数据通讯子模块传递过来 的数据信息，调用o p e n g l 画图命令，绘制该帧的图像。如此循环，就可画出 连续的图像，形成动画效果。 第2 章虚拟场景系统总体设计 2 4 本章小结 本章简要介绍了视景系统开发工具的选择以及整体方案的确定。在经过综 合的权衡和比较之后，采用m u l t i g e nc r e a t o r 建立了视景系统的场景模型。同时， 采用v e g a 和v i s u a lc + + 6 0 构建了视景仿真开发平台。最后根据所选择的开发工 具提出了视景系统的整体开发方案。 1 6 第3 章三维实时视景技术的应用 第3 章三维实时视景技术的应用 根据地铁列车驾驶仿真系统的视景系统，对其中应用的三维视景相关技术进 行了研究，利用三维图形几何变换的比例变换、对称变换和旋转变换解决重复 建模问题。再者，由于要实时运行三维模型，需要使用消隐处理、纹理处理、 光照模型等技术来增强视景系统的真实感。 3 1 三维图形的几何变换 三维场景中经常会出现大量的、重复的几何体，如地铁车站中的立柱、交 通指示牌等，这些物体都是相同的，但是出现的位置、方向不同，此时在三维 建模时就可以共享一个模型数据，通过矩阵变换得到不同的几何体。在三维图 形的几何变换时，变换矩阵采用的是4 x 4 阶方阵： t _ - 口6 de 矗f ，聊 c： p 厂 i g ， ：， ，l：s 至享； ：产生比例、对称、旋转和错切四种变换。 【，m 咒】：产生沿三个轴向的平移变换。 【s 】： 产生全比例变换。 【pg ，】7 ：产生透视投影变换。 1 7 ( 3 1 ) 第3 章二维实时视景技术的应用 t = a0 0 e 0o o0 00 00 j 0 ol 其中a ，e ，j 分别为x ，y ，z 三个方向的缩放系数。如图3 1 所示： 图3 1 比例变换 4 ，一- j ( 3 2 ) 缩放系数的不同得到不同的缩放效果，若三个方向的缩放系数相同，则缩 放比例相同，如图3 1 ( a ) 所示；若三个方向的缩放系数不同，则产生类似于 图3 1 ( b ) 所示的变形立体几何图形。 ( 2 ) 对称变换 对称变换包括对坐标原点、坐标轴及坐标平面的对称变换。本文主要介绍 对坐标平面的对称变换，这种变换存在三种形式：对x o y ，y o z 及x o z 坐标平面 的对称变换。三种变换原理完全相同，只是针对不同的坐标平面。以x o y 坐标 平面为例，立体几何图形针对该平面对称变换时，除立体图形上各点的z 坐标改 变外，x 、y 坐标均不变，故变换矩阵为： t = 1o00 o1oo oo一1o o0o1 ( 3 3 ) 第3 章三维实时视景技术的应用 巨 图3 2 旋转变换 ( 3 4 ) 各旋转角的正方向 绕x 轴旋转臼角 立体图形绕x 轴旋转时，x 坐标不变，y ，z 坐标变换，变换矩阵为： t = oo 0 c o s 口 0 - s i n 臼 oo oo s i n 口0 c o s o0 01 绕y 轴旋转口角 立体图形绕y 轴旋转时，y 坐标不变，x ，z 坐标变换，变换矩阵为： t = c o s 日0 - s i n 口0 o10 0 s i n90c o s e 0 o0o1 绕z 轴旋转口角 立体图绕z 轴旋转时，z 坐标不变，x ，y 坐标变换，变换矩阵为： t = 2 c o s 秒 - s i n 护 o o 1 9 s i n 口 c o s 臼 0 0 0 0 0 0 10 ol ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 第3 章三维实时视景技术的戍川 ( 4 ) 平移变换 立体图形在空间平移一定距离，而不改变立体图形本身的形状和大小，变 换矩阵为： t = 2 0o l0 o1