（电力系统及其自动化专业论文）计算机视景仿真技术的研究.pdf

a b s t r a ( 了 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 to ft h ec o n s t r u c t i o no fc i t ys u b w a y ，n e wk i n d so f s u b w a ys t a r t st or u n , i tn e e d sh i g h e rr e q u i r e m e n tf o ro p e r a t i o ns k i l lo fd r i v e r s ，m a n y d e p a r t m e n t su r g e n t l yn a i nd r i v e r sf o rt h et r a i n i n gs k i l l so fn e wt y p es u b w a y i ti s n e c e s s a r yt ou s et r a i ns i m u l a t i o ns y s t e mt oo p t i m i z eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n dt r a i n d r i v e r s t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n da p p l i c a t i o no fs c ：c n e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h e np u t sf o r w a r dar e a l i a z a t i o nm e t h o do ft h e3 ds s i m u l a t i o nf o rs u b w a ys i m u l a t i o ns y s t e m ，u s i n gv c + + 6 0 弱ad e v e l o p m e n tt o o l ， b a s e do i lo p o n g v sf o rd r i v i n gt h es c e n e ，a n du s i n gc s ( c l i e n t s c r v e r ) m o d e lb a s e d o nt c p i pp r o t o c o lt oi n t e r c o n n e c tw i t hs u b w a ys i m u l a t o r t or e a l i z et h es c e n es i m u l a t i o ns y s t e m , m u c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a v e b e e nd o n eo n3 dm o d e l i n ga n ds c e n ed r i v e rp r o g r a mi nt h i sp a p e r o n3 ds c f n e m o d e l i n g , t h eo p e r a t i n gd a t ao ft h es u b w a yr u n n i n ga n dr e a lp i c t u r e sm a k e3 d m o d e l i n gf o rr u n n i n ge n v i o r m e n t r e g u l a t i o na n da n o m a l i s t i co b j e c t sm o d e l i n g t e c h n o l o g y ，c o m p l i c a t e da n dl a r g e rs c 宅n er e a l i s t i cm o d e l i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e n p r a c t i c e d i nt h ec o u r s eo fm o d e l i n g , l e v e lo fd e t a i lt e c h n o l o g y ，i n s t a n c e ，a n de x t e r n a l r e f e r e n c et e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e d ，a n dt h eh i e r a r c h ys t r u c t u r eo fo p e n f l i g h t d a t a b a s eh a sb e e na a j u s t e da n dl o g i c a l l yo r g a n i z e d ，s ot h ed a t a b a s eh a sb e e n o p t i m i z e d ，a n dt h er e a l t i m ea n dr e a l i s t i ca n dl o w - c o s to ft h es c e n es i m u l a t i o n s y s t e m t h ed e s i g no fs 咖cd r i v i n gp r o g r a mc o n t a i n sr e a l t i m es c e n ed r i v i n g r e a l - t i m e a l t e r n a t e do p e r a t i o n , a n dr e a l t i m en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：s 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 , o p e n g v s ，3 dm o d e l i n g , s c e n ed r i v i n g 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：粥 一竺翌三三翌旦 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 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。 签名：掳骆 叼年月2 夕日 第1 章绪论 第1 章绪论 计算机仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及应用领域的相关专业技 术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设 计中的系统进行动态实验研究的一门多学科的综合技术。由于其有效性、可重 复性、经济性、安全性和保密性等优点而受到各行各业的重视，计算机仿真技 术目前正广泛地应用于军事及国民经济的各个领域。特别是最近几年来，由于 系统仿真技术的进一步发展和完善，计算机仿真技术已可参与到系统的运行当 中，且其真实性也已为人们所承认。因此，计算机仿真技术业已成为系统全生 命周期中各阶段的重要技术手段和工具，在军事和国民经济的各个领域越来越 显示出其巨大作用1 1 1 1 3 1 。 最初仿真技术主要应用于航空、航天、原子反应堆等代价高昂、周期长的、 危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、 化工、冶金、机械、交通运输等一些主要的部门。模拟器是仿真技术应用一个 成熟的例子，利用列车模拟器培训人员具有安全、可靠、节约培训费用的特点， 并可以人为制造各种工作状况以提高训练质量；可以模拟实际操作很少遇到的 情况，如泥石流、塌方等。 随着城市地铁在公共交通中所占比例的不断上升，技术更加先进。驾驶技 术的训练与提高更加迫切。模拟器是很好的手段，列车仿真系统是计算机仿真 技术和列车动力学相结合的产物，它以列车动力学数学仿真模型为依据，结合司 机实际操作过程，利用计算机仿真技术，对列车操纵、运行等过程进行模拟垆j 。 1 1 列车仿真系统简介 1 1 1 列车模拟器的组成分析 列车仿真系统按功能和复杂程度可分为简易列车仿真系统和全功能列车仿 真系统： ( 1 ) 简易列车仿真系统 简易列车仿真系统由运动学计算、操作界面、视景、声音等几个部分组成， 第1 章绪论 可由一台计算机完成。运动学计算根据当前的线路状况和学员操作终端的输入， 计算出列车的运行速度和加速度。操纵界面采用通用键盘、鼠标、触摸屏或简 易操纵杆代替真实操纵台，也可以用计算机图像生成的方式产生操纵界面。视 景可以用数字视频图像或计算机图像的方式生成。声音( 操作指令、模拟音响) 通过多媒体耳机传送到参与训练的学员。这种简易的列车视景仿真系统可以通 过局域网( l o c a la r e an e t w o r k ，简称b 蛾) 将学员台和教员台联接，一个教员台 同时管理多个学员台，其实现结构如图1 1 所示。采用这种系统结构的可以同时 培o t i 多名学员( 1 ：n ) ，培训效率高；学员可自由选择课程及其进度，可在课 程培训过程中检验培训效果，课程设置与改进相对容易，其缺点是真实感不强， 操作错误与故障处理方面的行为训练被限制在一定的范围内。但这对训练学员 熟练掌握基本操作和流程提供了一个好的方式。 图1 1 简易列车仿真系统结构 ( 2 ) 全功能列车仿真系统 全功能列车仿真系统是一个分布式的计算机软硬件系统，主要由司机驾驶 室、列车行为仿真系统、视景系统、声音与通讯仿真系统、运动系统、监控系 统、观摩室等组成，其硬件结构如图1 2 所示。 司机驾驶室是真实司机室的复制品：司机室内的装饰、司机操纵台上的操 纵设备、显示设备和通讯、信号设备以及与司机操作有关的具体设备都与真实 司机室类似，以便学员感到是在真实环境下接受培训。列车行为仿真系统负责 模拟列车的运行，根据当前的线路状况和学员操作终端的输入，计算出列车的 运行速度、加速度、车钩力等数据。视景仿真系统负责视景的生成和显示，视 景生成采用计算机图像生成的方式，视景系统可选择采用并行计算体系结构的 图形丁作站或分布式体系结构的微机机群乍成多通道视景。声音仿真系统负责 模拟列车运行中的各种噪音( 轰鸣卢、电机卢、轮轨摩擦声等) 、到站广播等 第2 章系统总体设计 的速度和运行区段的不同而变化。运动系统负责实现对真实驾驶环境中运动感 受的仿真；由运动控制机接收来自主控机的列车六自由度的姿态参数，并做出 相应的动作。监控系统可为教员监控学员的整个培训过程，同时兼顾培训过程 的管理。 司机培训室投影仪 训练观察室 直 司机驾驶室 直 一 n 氟冈 i 。一 l 陋视器( 群) j 机 _ r l 牺诩沿生l 车 操 纵 教员监控台 l 二二二二_ 一l l u 匾视器( 群) r 了耳 通讯设备运动平台 教员机 设备机柜 i 声音通讯计算机 主控计算机l产景生成计算机群 二_ 二王_ 二二j 二j 一一二主。一：。 l a n 一一“。一 图1 2 全功能列车仿真系统的硬件组成 视景仿真系统、运动系统、它们提供了学员视觉、触觉、声音仿真系统构 成了列车驾驶环境的仿真。听觉上的感受，它们的性能直接影响到整个仿真系 统的真实感、临场感和沉浸感，这也是判定一个仿真系统水平的重要标志1 2 4 1 1 1 7 1 。 1 1 2 列车仿真系统的应用及国内外发展情况 计算机仿真技术在列车动力学方面的应用，产生了列车模拟器。列车模拟 器是以列车动力学数学仿真模型为依据，结合司机实际操作过程，利用计算机 仿真技术，模拟列车的整个运行过程。该装置通常包括司机操纵台、教员监控 系统、运动系统、视景系统和声音系统。列车模拟器可广泛应用于下列几方面： 1 培训各类司机，改进和提高操作技术。 3 第2 章系统总体设计 ( 1 ) 培训新司机。以前培训司机的方法是学习一些基本知识后，上车实 习。在车上训练的效果，只能凭经验凭感觉，缺乏科学的反馈信息。模拟器有 这样一些特点： 可以显示和解释列车的行为。司机在培训的同时可以看到自己操作的结 果： 教员可以随时髓地指导司机在不同的变坡点上的加速、制动、减速等。 同时可以与司机一起研究和解决一些特殊的操纵闯题； 由于有的放矢进行培训，新司机可以缩短学习时间，可以取得更多的知识 和经验。 ( 2 ) 改进和提高操作技术。即使对有经验的司机，也可以通过模拟器的 训练，提高操作技术。 2 节省燃料消耗。由于在模拟器上能记录燃料消耗量，因此可以制定多种 操作方案，在模拟器上进行比较，从中选择节省燃料的优化方案。 3 安全操作。在模拟器上可以模拟不安全的条件，这在实际线路上是绝对 不允许的。此外，模拟器还可以用来分析门故障、脱轨、断钩等事故。 4 行车组织。可用于确定列车合理编组方式及列车配置部位，确定列车的 合理运行时分等。 5 工程研究。可以为线路设计、列车车辆设计、列车车辆装备的改进和发 展提供重要的参数。 列车模拟器自8 0 年代以来，已在世界各国铁路部门得到了广泛运用，普遍 认为这是一种培训司机的先进工具，缩短了培i j l i 时i 日j ，减少了培训费用，而且 培训过程绝对安全，不会影响正常的行车。丹麦国家铁路( d s r ) 向a b bs c a n d i a 订购了i c 3 和i r 4 列车组，随同生产的列车一起交付了一台列车模拟器，用来培 训司机。据a b b 介绍，使用该设备培训司机可缩短司机培训时间3 0 ，每个司机 的培训费用由原来的1 4 0 0 0 美元降到4 0 l o o 美元。英国铁路( b r ) 负责安全工程的 辛普森先生说安装了新的列车信号和自动驾驶系统( a t o ) 的模拟器可缩短培 训时i n j 3 0 - 5 0 。奥地利联邦铁路( o b b ) 的沃尔特中一t l , 安装了e l i n 公司生产的1 0 4 4 型列车模拟器明显的缩短了司机培训时问，同时提高了司机培训质量。 美国铁路一向以重载运输为主，8 0 年代初丌始使用t d a 模拟器培训司机和 进行j ：程分析，至今美国联邦铁路( f r a ) 和各人铁路公司均在培训中心培训司 机。设在芝加哥的i i r t i 的培训中心，新司机在培训中心学爿期限为四周：一周 4 第2 章系统总体设计 学习列车机械和电气系统原理，一周学习列车制动机工作原理；两周在模拟器 上训练，然后到岗位上培训五个月。设在堪萨斯的，t i c 培训中心，于1 9 9 3 年建 立了一套详细的培训司机计划，每年接受7 0 0 余名司机的培训。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 始使用列车模拟器培训司机，收到了很好效果，到1 9 9 1 年法国铁路的模拟器就 增加到了3 6 台。最近几年来法国的重点是发展高速列车模拟器。 英国铁路每年都要培训6 0 0 多名司机。他们最早使用的是两台移动式模拟 器，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模拟 器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模拟器，使用了 虚拟现实( v r ) 技术，装备了a t o 等先进设备使模拟器功能更加完善，技术更 加先进。 澳大利亚8 0 年代开发了重载列车模拟器，具有准确的列车动力学模型，它 用来培训重载列车司机。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。 在亚洲，韩国、香港等地下铁道普遍采用模拟器培训司机和进行司机资格 考试。韩国在1 9 8 8 年奥运会期白j 就用模拟器培训地铁司机，而且在去年年底向 法国购买了全功能地铁模拟器。香港地铁目前有四台模拟器，今年初在国际上 招标购买了一台新的模拟器，同时对原有三台模拟器进行技术改造，主要是将 原有的视景系统改造为计算机成像系统。 印度铁路行车里程与我国相仿，在1 9 9 3 年印度向美国购买了两台全功能列 车模拟器。印度铁路官员声称印度全路列车司机每年均要在各个培训中心学习， 每人每天在模拟器上学习1 5 小时，经考核合格后才能取得下一年的司机资格。 为此印度铁路需要7 5 台全功能列车模拟器。 在我们国内，自8 0 年代后期研制成功列车模拟器以来，目前超过2 ，3 的机务 段、司机学校配置了列车仿真系统。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模拟装置，1 9 8 8 年初在国际招标中向韩国购买了一台 新的模拟装置，同时对原有三台模拟装置进行技术改造， 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 r g e n e r a t e di m a g e ，简称c g i ) 系统。 5 第2 章系统总体设计 现在，国外的全功能列车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， 迫切需要不断提高模拟器的性能，建立套完善的列车综合培训和考核体系 1 1 9 1 1 2 4 1 。 1 1 3 视景仿真在列车模拟器上的应用现状 模拟器的性能指标主要体现在两个方面，一是动力学模型，或称列车行为 仿真，二是操纵环境仿真。以前对模拟器的研究重点主要放在仿真模型的有效 性和可靠性上，随着计算机技术和相关学科的发展，尤其是计算机图形学和数 字视频处理的飞速发展，许多研究者逐步将研究重点转向逼真的环境仿真。所 谓环境仿真，就是要求被培训的学员所处的仿真环境尽可能与实际环境相同， 这就对模拟器的视景系统，声音系统和运动系统提出了更高的要求。 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很重要的地位。换句话说，一个环境仿真效果的好坏主 要取决于其视景系统的好坏。列车模拟器中视景仿真系统应该具有以下几个基 本功能： 1 实时同步播放线路场景，即播放的画面在速度和里程上与司机的操作同 步； 2 能在视频场景中产生不同的效果，如下雪、起雾、傍晚等天气变化状况； 3 能在视频场景中模拟一些突发情形，如前方突然有行人或车辆过道口等； 4 能实时监控场景内容，并返回线路信息，如是否是过隧道，桥梁，道岔 或会车。 在国内，列车模拟器的视景系统通常是采用实景拍摄，激光放像机调速的 方法来实现视景仿真，但这种方法存在几个较难克服的缺点： 1 光盘容量小 光盘采用l d 方式，每盘容量只有3 4 分钟。按照6 0 k m h 拍摄速度计算，扣除 前后连接部分，每个盘大约可存3 0 分钟& 1 1 3 0 公罩的线路场景，只能包含2 至f j 3 个 小区问； 2 图像不连续 6 第2 章系统总体设计 当实际仿真运行速度相对于拍摄速度较低时，大约在1 4 以下时，由于放像 机调速原理的限制，图像会出现不连续的跳动情况，影响场景的真实感； 3 当进行信号灯和障碍物叠加时，叠加物会有飘浮感。 这主要是由于信号灯和障碍物同实景之间存在时间和空问上的不一致。时 间上的不一致主要是由于帧信号滞后引起的，空间上的不一致是由于叠加的位 置和实际位置不一致引起的。 从上面的介绍可以看出，只有c g i 方式的视景系统能较好地满足上述要求。 近十年来，国外先进的列车仿真系统普遍采用s g i 公司生产的高档图形工作站来 生成视景。s g i 公司的g n y x 2 系列、o n x y 3 0 0 0 系列超级图形工作站具有强大的计 算能力、三维图形处理能力，可以实现复杂场景的实时绘制。但是其软硬件价 格昂贵，成本过高。针对上述问题，本论文对在微机平台上实现列车视景仿真 系统进行了研究，满足了列车视景仿真实时性要求，为列车视景仿真提供一个 较好的解。 1 2 课题的研究内容及关键技术 1 2 1 项目来源 本项目来源于上海市地铁公司，由上海同济大学计算机控制与仿真研究所 与上海工程技术大学合作开发。 本论文主要进行视景仿真系统( 包括网络通讯子模块) 的研究与开发。视 景仿真系统主要负责的是： ( 1 ) 地铁列车模型及其运行环境的三维逼真模拟； ( 2 ) 地铁列车到站时开关门状态及乘客进出的模拟； ( 3 ) 地铁列车逻辑模拟交互操作； ( 4 ) 相应操作结果的表现等。 1 2 2 课题研究的内容 根据课题要求，本视景仿真系统需要建立较逼真的地铁列车模型及其运行 环境的三维模型，并按要求编制模型驱动程序实现地铁列车运行状态的模拟仿 真。因此本系统需要解决的问题主要包括两个方面：建立地铁列车模型及其运 行环境的三维虚拟场景和设计并实现虚拟场景的驱动程序。 7 第2 章系统总体设计 在建立三维虚拟场景方面，如何利用现有的地铁列车的结构数据及大量的 实景照片对地铁列车进行实体建模，如何利用现有的地铁列车运行的数据并结 合实景照片对运行环境进行实体建模是本课题首先需要解决的问题。具体来说 主要有包括如下几个方面的内容： ( 1 ) 规则和不规则物体三维几何建模 三维虚拟场景由众多的规则对象和不规则对象组成。规则对象是指可以由 三维建模软件提供的基本建模工具进行构建的对象；不规则对象是指需要一定 的技巧或借助于特殊工具实现三维建模的对象。三维场景的构建需要从单个对 象开始，因此这些对象的建模效果将直接影响到系统的可视性、实时性和逼真 性。 ( 2 ) 复杂的大场景三维模型逼真构造 完成了复杂的大场景的雏形构建，需要对场景的逼真性进行提高，以增强 系统的可视性。采用“纹理+ 光照效果+ 颜色+ 材质”等技术的综合运用可以很 大程度上提高场景的逼真度 ( 3 ) 复杂的大场景三维模型优化 由于受到现有计算机软硬件配置的限制，需要对构建的三维场景进行优化， 以减少场景中绘制的多边形数量，提高场景漫游的流畅度，保证场景绘制的正 确性。 在设计与实现场景驱动程序方面，需要解决的问题有： ( 1 ) 场景实时漫游 场景实时漫游主要包括场景生成、手动漫游、自动漫游、决速定位和多通 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。 ( 2 ) 实时交互操作 主要指通过鼠杯或键盘对虚拟场景中的列车门进行开关动作，并需要实时 模拟相关动作的过程和结果。 ( 3 ) 实时嘲络通讯 通过实时网络通讯，视景仿真系统将操作信息( 如列车门、列车站的序号) 第2 章系统总体设计 传给列车模拟仿真系统，列车模拟仿真系统通过这些信息进行逻辑判断和科学 计算，并实时的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 2 3 关键技术 本系统涉及到的主要关键技术包括： ( 1 ) 复杂的大场景逼真建模与优化技术 ( 2 ) 交互控制技术( 涉及到实时漫游、实时交互操作等) ( 3 ) 实时列车运行时场景的逼真模拟技术 ( 4 ) 实时网络通讯技术 1 2 4 本文所做的主要工作 针对该地铁列车模拟器视景仿真系统的研究与实现，本文主要在三维场景 建模和场景驱动程序的开发两个方面进行了大量的研究开发工作，具体表现在： ( 1 ) 逼真构建地铁列车模型及其运行环境的三维场景： ( 2 ) 实现虚拟场景的实时交互漫游、实时逻辑交互操作； ( 3 ) 实现对虚拟地铁列车运行状态的逼真模拟，及地铁列车到站时开关门 状态及乘客进出的模拟； ( 4 ) 实现视景仿真系统与列车模拟器仿真系统实时网络通讯。 1 3 本章小结 本章首先对列车模拟器的组成进行了分析，并对列车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模拟器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、涉及到的关键技术及本文所做的 主要工作进行了介绍说明。 9 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 在列车模拟器的视景仿真系统中，视景系统对视景数据库进行实时渲染， 提供高逼真度的画面，这就要求运算速度快、显示性能好的图形硬件，还需要 有效的视景管理软件以便发挥硬件平台的最大效能。一般认为帧速率( 新图像 显示的速率) 在2 5 3 0 帧1 秒是比较合适的，至少也不能低于1 5 帧秒，即人感受 不到的闪烁程度。 当前，基于计算机的图形加速卡发展非常快，几乎是一个季度换一代。其 功能也越来越多、越来越强大，主要包括：多重纹理技术，可以显示更加真实 的表面细节和光照效果；全屏抗混叠( f s a a ) 技术，可以减少画面锯齿现象； 硬件转换和光照处理( t & l ) 技术，可以提高图像质量、减轻计算机c p u 负担， 能完成更多的图像处理任务。因此在现阶段采用计算机图形工作站完全能胜任 复杂的场景的实时渲染工作。 本章首先介绍了计算机的视景仿真技术的基础知识、视景生成的原理进行 了介绍，接着简要说明了系统的总体构成方案。 2 1 视景仿真技术的基础知识“阍 2 1 1 仿真与虚拟现实 虚拟现实和仿真技术在近些年都有较大发展，特别是虚拟现实的发展尤其 迅速。两种技术在很多领域出现了交叉，仿真技术在发展中不断引入的可视化 及多媒体技术，都具有虚拟现实的雏形或是基础。人们渐渐认识到，仿真技术 和虚拟现实相融合是信息技术发展的新的趋势，而这种趋势也必将带动很多领 域的快速发展。 现阶段，我们认为仿真和虚拟现实的关系如图2 1 所示。在图中可以看到， 具有可视化多媒体特性的仿真技术实质上就是类虚拟现实系统视景仿 真。 1 0 第2 章系统总体设计 图2 1 仿真和虚拟现实的关系 2 1 2 视景仿真技术 视景仿真是仿真动画的高级阶段，也是虚拟现实技术的最重要表现形式， 它是使用户产生身临其境感觉的交互仿真环境，实现了用户与该环境直接进行 自然交互。视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的，构造仿真对 象的三维模型或再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。它可以分为仿真 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、特效设计 等，它要求构造逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效。 仿真驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形处理等， 它要求高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作等。 视景仿真是计算机技术、图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、 信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。它有利于缩短实验和研 制周期，提高试验和研制质量，节省试验和研制经费，并已经在许多领域得到 了广泛的应用，如城市规模仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、虚拟现 实房产推销系统、虚拟现实模拟培训、交互式娱乐仿真等等。现在，在许多领 域罩，视景仿真技术已经成为仿真系统软件的一个主要组成部分，它是虚拟现 实技术、分布式交互仿真技术研究的主要内容之一。 第2 章系统总体设计 2 2 视景的生成原理 2 2 1 视景生成的过程 一个视景系统由三部分组成：视景数据库、图像生成器和显示系统。视景 数据库包括几何定义数据、仿真环境需要的色彩和纹理；图像生成器绘制的内 容是模拟器从视点定义的，这些数据存储在视景数据中；显示系统可以是投影 仪、c r t 显示器或者头盔显示器。 视景的显示是由计算机提供的。视景数据库由两部分组成，一部分是以直 接或间接方法存储的图像数据，另一部分是以向量或参数方式存储的图形数据。 由于视景是一个随时间变化的三维世界的再现，因而，除了有像三维投影和立 方体视觉等等与光学有关的待解问题外，还有物体在空间中运动的实际的实时 计算问题。 视景中的图像是计算机根据环境的需要，利用给定的条件和模型，在对图 像数据和图形数据计算后生成的，其生成过程如图2 2 所示： 图 文 臻 成 融 合 同 步 图2 2 视景生成的过程 由图可见一幅视景图像的决定条件除了语音之外还有三个： ( 1 ) 生成条件与模型： ( 2 ) 图像数据； ( 3 ) 图形数据。 具体来说，三维场景模型映射为一幅显示图像主要经历三个阶段：数据库 遍历( d a t a b a s et r a v e r s a l ) 、几何变换( g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n ) 和像素( p i x e l ) 生成阶段。 在数据库遍历阶段，由于视景内容和视点位置的动态变化，要求计算机每 一帧都必须遍历整个渲染数掘库。在此过程中，又主要分为三个阶段： 第2 章系统总体设计 应用( a p p l i c a t i o n ) 阶段：从控制设备计算输入、加载数据库、计算视点 和模型位置； 剔除( c u l l ) 阶段：细节层次( l e v e lo f d e t a i l ，缩写l o d ) 管理，进行可 见性裁剪、消隐和排序。详细执行过程是：遍历数据库的层次( h i e r a r c h y ) 结 构，基于模型的包围盒( b o u n d i n gv o l u m e ) 判断是否与目前视窗体( v i e w i n g v o l u m e ) 相交或在其中，若是则将此模型加入显示列表中，若不是，则在内存 中删除。 绘制( d r a w ) 阶段：渲染且绘制显示列表中的数据并保存在帧缓存( f r a m e b u f f e r ) 中。 几何变换阶段主要包括模型转换、光照计算、视图变换、剪裁和到屏幕坐 标的映射。由于光照模型的计算开销最大，因此可以将剪裁插在光照计算之前， 进而减少对视窗体外的几何图形的不必要的光照计算。 像素生成阶段主要包括的操作是深度比较、g o u r a u n d 明暗处理、色彩融合、 逻辑运算、纹理映射和反走样等。 2 2 2 相关基本概念 由上面的介绍可知，视景生成主要包括两部分：场景三维建模和场景三维 图像显示。一般而言，三维图像的显示流程如图2 3 所示。 模型坐标- 1 模型变换卜+ 世界坐标叫观察变换卜 舰察坐标 壅垂至蔓：卜一投影坐标匪要垂亘匿卜卜设备坐标 图2 3 三维图像显示流程 因此，在视景生成的过程中，需要将三维空自j 转换为二维视图，涉及到不 同坐标系统问诸如几何变换、投影变换、视口变换等问题，充分的理解这些概 念对视景生成技术掌握事半功倍。 ( 1 ) 坐标系统 目前视景仿真系统中常用的坐标系统有直角坐标系、极坐标系、球坐标系 等，其中最常用的是直角坐标系。直角坐标系又称为笛卡尔坐标系，根据坐标 第2 章系统总体设计 系指示方向的不同分为左手坐标系和右手坐标系两种。图2 4 示出右手坐标系。 z - a x i s 图2 4 右手坐标系 x a x i s 在实际的应用中，根据不同的需要，又将直角坐标系分为以下几种类型： ( 1 ) 世界坐标系( w o r l dc o o r d i n a t es y s t e m ) ：又称为全局坐标系，属于右 手三维直角坐标系统，用于定义整个虚拟环境的坐标，是最高层的图形结构坐 标，场景中的各种实体对象经过一系列变换后放在全局坐标系中的适当位置。 ( 2 ) 造型坐标系( m o d e l i n gc o o r d i n a t es y s t e m ) ：又称局部坐标系，属于右 手三维直角坐标系，用来定义虚拟环境中的单个实体对象坐标。建立这一坐标 系统的原因是对于每一个实体都定义各自的坐标原点和长度单位，有利于物体 的构造和操作。在局部坐标系中构造和操作的结果，经过变换可放在世界坐标 系中适当的位置，而不必利用全局坐标系去构造单个实体和在全局坐标系中进 行变换运算，能大量的简化操作，减少矩阵运算。 ( 3 ) 观察坐标系( v i e w i n gc o o r d i n a t es y s t e m ) ：属于左手三维直角坐标系， 可在世界坐标系的任何位置、任何方向上定义，主要有两个用途：一是用于指 定剪裁空间，确定场景中的对象是否剔出、绘制、显示输出；二是通过定义观 察( 投影) 平面，把三维物体的世界坐标变换为规格化的设备坐标。观察平面 是在观察坐标系中定义的，通常其法向量n 和观察坐标系的z v 重合，用户可以 在观察平面上定义观察窗口。世界坐标系与观察坐标系之问的关系如图2 5 所 示。 1 4 第2 章系统总体醴计 图2 5 世界坐标系和观察坐标系 ( 4 ) 屏幕坐标系( s c r e e nc o o r d i n a t es y s t e m ) ：计算机为了实现数据化的三 维场景模型在图形显示器上显示输出，必须要在图形显示器屏幕上定义一个二 维直角坐标系，这个坐标系称为屏幕坐标系。一般而言，此坐标系坐标轴的方 向通常取为平行于屏幕的边缘，从左至右定义为x 轴的正方向，从下到上定义 为y 轴的正方向。屏幕坐标系的原点和长度单位有多种定义，具体需要参考不 同的应用系统。 ( 5 ) 设备坐标系( d e v i c ec o o r d i n a t es y s t e m ) ：设备坐标系是物理设备的i o 空问，每一种图形设各都有其独特的坐标系。这类坐标系主要用来跟踪传感器， 其规则由设备厂商决定。 ( 2 ) 几何变换 图形的几何变化主要涉及各种坐标变换、曲线和曲面的拟合等问题。其中 图形坐标交换包括三维和二维，基本交换类型有平移、放大、缩小、旋转、扭 曲等。曲线、曲面拟合主要研究曲线线段或曲面片几何连续和光滑连接等问题。 ( 3 ) 投影变换 三维虚拟场景中我们采用的三维坐标系，而输出视景的计算机屏幕却是二 维的，这就需要将三维对象变换为二维图形，也就是要对对象进行投影变换。 ( 4 ) 祝口变换 在计算机图形学中，视口变换的定义是将经过几何变换、投影变换和剪切 变换后的物体显示于屏幕窗口中指定的区域内，这个区域常为矩形。即视口。 在实际应用中，视口的长度比率总是等于视景体剪切面的长宽比率。如果两个 第2 章系统总体设计 比率不相等，那么投影后的图像显示于视口时会发生扭曲变形。 2 3 视景仿真系统 2 3 1 视景仿真系统构成及其基本实现方法 完整的视景仿真系统包括图像源和光学成像系统两大部分。图像源决定着 视景系统显示图像内容的丰富程度、逼真度、清晰度等技术指标，而视场角、 亮度、对比度等技术指标则主要由光学成像系统决定。所有这些性能指标都会 显著影响模拟质量和训练效果。 具体地说研究与开发一个视景系统需要从如下几个方面着手： ( 1 ) 可视数据库：存放对仿真坏境中几何体的描述信息及实时图像生成 系统所需要的信息，并对数据库中的信息进行管理。 ( 2 ) 实时应用程序：完成场景的实时驱动与渲染，模型的动态调度和控 制，碰撞检测，实时通讯等系统功能。 ( 3 ) 图像发生器( 硬件) ：产生三维立体图像。 ( 4 ) 光学成像系统：包括投影和显示系统。 ( 5 ) 合适的策略：即建模时应该从培训司机的角度考虑，考虑真实情况 和观察者的心理因素，对影响不同的模型区别对待。例如应用l o d 、采用纹理 映射等。 实现视景仿真系统的软件按照功能的不同可以分为三维建模软件、地形生 成软件、视景驱动( 场景管理) 软件及其它辅助软件。下面将就当盼比较常用 的不同类型的几种软件进行比较说明。 1 三维建模软件 ( 1 ) m u l t i g e nc r e a t o r m u l t i g e nc r e a t o r 是k h m u l t i g e n p a r a d i g m 公司开发的一个用于对可视化系统 数据库进行创建和编辑的交互工具，它有不同的版本以适应一系列平台和应用， 能够满足视景仿真、交互游戏的，r i ：发、城市仿真以及其它的应用领域，具有良 好的性能，系统可靠、稳定性好。c r e a t o r 是一个强大的三维建模工具，每平 台的实施都包含了一个公用的用户接口和一个适应特定平台的特殊软件子系 统，这种设计使得用户可以利用特定的扩展工具将基本的三维建模程序包改造 成适用丁某种特定的应用c r e a t o r 所采用的o p e n f l i g h t 数据格式已成为事实上的 第2 章系统总体设计 虚拟现实及视景仿真的三维模型数据格式的工业标准。 ( 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 c 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。 ( 2 ) 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 l 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 般三维效果和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，动念光影追踪等特点，是一个极佳的广告动画制作 软件。 ( 5 ) l i g h t w a v e3 d l i g h t w a v e3 d 是n e w t e k 公司推出的支持大多数操作平台的3 d 软件，在各种 平台下都具有统一的操作界面，操作相对比较简单，易学易用。其优势在于渲 染质感非常优秀，而缺点是功能不够完善，造型动作不够灵活。 2 视景驱动( 场景管理) 软件 ( 1 ) o p e n g v s o p e n g v s 是q u a n t u m 3 d 公司开发的三维仿真软件，实现三维场景的实时驱 动，它为3 d 软件开发人员提供了高级的采用标准c 语言的a p i 。a p i 由许多功能 强大的函数组成，利用这些函数可迅速开发出高质量的3 d 应用软件。 ( 2 ) o p e n g l o p e ng l 是近年发展起来的一个性能卓越的三维图形工业标准。它最初来 1 7 第2 章系统总体设计 自于s g i 公司为图形工作站开发的瓜i s g l 。o p e n g l 实际上是一种图形与硬件的 接口，它包括了1 0 0 多个图形函数，开发者可以用这些函数来建立三维模型和三 维实时交互。与其它图形程序设计接口不同，o p e n g l 提供了一种直观的编程环 境，其中的一系列函数大大简化了三维图形程序。o p e n g l 把图形软件开发人员 从复杂的坐标变换和矩阵运算中解放出来，将这些过程用简单直观的方式表达。 更重要的是，o p e n g l 实现了坐标变换、光照、纹理映射等许多对虚拟现实技术 至关重要过程的硬件加速。可以说，有t o p e n g l ，虚拟现实技术才从理论逐渐 转化为现实。目前，o p e n g l i 3 , 成为从事三维图形开发工作的技术人员所必须掌 握的开发工具之一。 ( 3 ) o p e n g l p e r f o r m e r o p e n g lp e r f o r m e r 是s g i 公司开发的一个可扩展的高性能实时三维视景开发 软件包，构建于工业标准o p e n g l 虱形库基础上，可以同o p e n g ls h a d e r 、o p e n g l o p t i m i z e r 、o p e n g lv o l u m i z e r 和o p e n g lv i z s e r v e r d 同工作，开发实时仿真应 用程序和其它专业的基于高性能的三维图形应用程序。o p e n g lp e r f o r m e r 提供了 一组标准c 或c + + 语言绑定的编程接口，可运行于所有s g i 图形工作站系统之上， 通过一个使用灵活的三维图形工具集提供高性能渲染能力。o p e n g lp e r f o r m e r 主要应用于仿真可视化、娱乐、虚拟现实、视频广播以及计算机辅助设计等领 域。 ( 4 ) v e g a v e g ap r i m e v e g a 和v e g ap r i m e 是m u l t i g e n p a r a d i g m 公司应用于实时视景仿真和虚拟现 实等领域的世界领先的两套工具软件。它们将易用的工具和高级仿真功能巧妙 的结合起来，从而可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。由 于v e g a 和v e g ap r i m e 采用了l y n x 形化界面