（计算机软件与理论专业论文）门吊仿真培训视景系统的研究与实现.pdf

华中科技太学硕士学位论文 摘要 f 援蓑傍冀技拳是计算撬佬英技本串懿蘩要磷究谍题，对其豹磷究在仿真壤谢、 科学计算可携他、医学应用鞠娱臻囊戮等领域奢菲常大的理论靼实羯价簸。爨蘸， 基于三维模型的视景仿真在仿真燃训中的研究和应用历史还不长，仍有许多理论与 实际闯慰需要解决。i + + 以分布式实时门吊培训仿真系统的研制为背景，豳绕视景系统的三维燧基| 墼燕、 实时绘镧与交互，着重研究了视景仿真中的面向对象的场景建模、模墅的多艨次细 节篙纯与显示浚及藿于璧标辘薛方肉鬣漆盒磁攘捡溅鹣理论释舞法。 设计了 掇培训中援景系统懿瑟趣对象魏三维场景维织终擒。涎用辩和动态数 组棚结合的数据结构，结合艇向对象的技术实现了对门吊培训税景系统中三维场景 模型的组织，为复杂三维场景的安时绘制、渲染和物体驱动的实现提供了基础。 针对复杂场景的实时绘制，给出了基于渐进稀疏网格的l o d 加速算法，根据视 点与模型的距离，定义了最簸距离与屏幕象索的交换函数。该算法在保证图像绘制 痰羹静前提下，动态的实现了模登的不两瑟次细节豹平滑渐变。 没毒中聚实现了门暴培调巾攘燮之滴瓣交互磁攘检测，采鼹坐标辘方趣惫爨鑫帮 寇爨鑫二叉辩的相交测试算法，势糨空闻划分鲍概念鞍包豳鑫碰撞捻测期结会，进 一步降低了三维场景中多个物体磁撞检测的复杂度，该方法提赢了人机交互的实时 性能，大大增强了门吊仿真培训视景系统的人机交互的沉没感。 在深入分析用户需求的基础上，按照面向对象软件工程的原则，充分考虑到系 统的兼容性和可扩展往，通| 遭v c + + 环辘下的o p e n g l 和3 d sm a x 集成，初步实现 了门吊债粪培调豹褫景系统，完躐了纛叛环境彷粪与实对动蕊贲g 交互控制。 关键字：视景仿真；仿真培训器；砸向对象仿真建模；层次细节：碰撞检测； 面向对象方法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s c e n es i m u l a t i o n t e e h n o l o g y ( s s t ) i s a l l i m p o r t a n t r e s e a r c ha r e ai n c o m p u t e r s i m u l a t i o nt e e h n o l o g y ( c s t ) ，w h i c hh a sm u c ht h e o r e t i ca n d p r a c t i c a lv a l u e i ns i m u l a t i o n t r a i n i n g ，m e d i c a l ，r e c r e a t i o n a la n dc o m m e r c i a ls y s t e m e s p e c i a l l y , t h ef u r t h e ra n dt h e m o r ep r o f o u n dr e s e a r c ho fs s t 遮s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mi sr e q u i r e db ym o d e m a p p l i c a t i o nw i d e l y t a k i n g t h ed i s t r i b u t er e a l t i m e g a n t r y c r a n e t r a i n i n g s i m u l a t i o n s y s t e m a s r e s e a r c h b a c k g r o u n d a n df o c u s i n go nt h e3 - d e m e n t i o n a ls c e n e m o d e l i n g , r e a l t i m e d r a w i n g a n di n t e r a c t i o n ，t h e o r i e sa n da l g o r i t h m so fo 弼鳅o r i e n t e ds c e n em o d e l i n g , l e v e l o fd e t a i ld r a w i n ga n db o u n d i n gv o l u m ec o l l i s i o nd e t e c t i o na r cc a r r i e di n t or e s e a r c h o b j e c to r i e n t e dt h r e ed i m e n s i o n ss c e n ef r a m ef o rg a n t r yc r a n et r a i n i n gs i m u l a t i o n s c n e s y s t e mi sp r o p o s e d w i t ht h et r e e - s t r u c t u r e a n dd y n a m i ca r r a y , 3 dm o d e l sa r e o r g a n i z e du n d e rt h et e c h n o l o g yo fo b j e do r i e n t e d ，w h i c hb e c o m e st h eb a s i s o nt h e r e a l t i m ed r a w i n g , r e n d i n ga n dm o d e ld r i v i n gi nt h ec o m p l e x3 - d e m e n t i o ns c e n e a i m i n ga tt h er e a l * t i m ed r a w i n gf o rc o m p l e x 裂糊，l o da l g o r i t h mi si m p l i e dt o s c e n ed r a w i n gi nd i f f e r e n tc o m p l e x i t y , w h i c hi sd e s i g n e db y u s i n gad a t as t r u c t u r eo f t h e g r a d u a ls p a r s em e s h b a s i n g o nt h ed i s t a n c eb e t w e e nv i e w p o s i t i o na n dm o d e l s , a f u n c t i o n t ot r a n s f o r mt h el e a s td i s t a n c e 幻s c r e e n p i x e l si sd e f i n e d a n di n t r o d u c e di n t ot h ea l g o r i t h m n o t o n l ym a k e st h ec h a n g i n gi nd i f f e r e n tc o m p l e x i t yd y n a m i cs m o o t h l y , t h i sa l g o r i t h m a l s ok e e p st h eq u a l i t yo fm o d e l s i n t e r a c t i v ec o l l i s i o nd e t e c t i o no fm o d e l si s d e s i g n e da n di m p l i e d 。a x i s - a l i g n e d b o u n d i n gv o l u m ea n db o u n d i n gv o l u m eb i n a r yt r e e8 r cd e s i g n e dt od e t e c tt h ec o l l i s i o n t h ec o n c e p to fs p a c ed i v i s i o ni sc o m b i n e dw i t hb o u n d i n gv o l u m ec o l l i s i o nd e t e c t i o n , w h i c h b r i n g su sal o w e rc o m p l e x i t yi nd e t e c t i o n 。t h i sm e t h o dp r e s e n t sah i g h e rr e a l - t i m e p e r f o r m a n c ef o rh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i v i t y , a n dg r e a t l yi n c r e a s e st h ei m m e r s i o no f s c e n es i m u l a t i o ns y s t e mo fd r g ( 卫忑s o n d e e p l ya n a l y z i n gc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fo b j e c t 华中科技大学硕士学位论文 # _ = 目_ _ _ _ 目# 目_ _ 目# 目_ _ _ _ _ _ _ 目_ _ 目_ ；_ _ _ _ _ _ - _ _ _ o r i e n t e da n dt a k i n gs t a b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t yi n t oa c c o u n t ，t h es y s t e mi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dw i t ho p e n g l a n d3 d sm a xu n d e rt h ev i s u a l & + d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 。 t h es i m u l a t i o no f v i s i o n s c o n e ，v i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o na n dr e a l - t i m ea n i m a t i o n o f g a n t r y c r a n et r a i n i n gs i m u l a t i o ns c e n e s y s t e mi sr e a l i z e d k e y w o r d s ：s c e n es i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ；s i m u l a t i o nt r a i n i n g ； s i m u l a t i o n m o d e l i n g ；l e v e r o fd e t a i l ； c o l l i s i o nd e t e c t i o no o a o o d “ 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着复杂系统仿真应用需求的不断提黼和应用领域 鹃不戮扩震，计算辊谤囊接本已经簸缝数字傍奏，安貔在瑟路孛瓣半实携茯冀，发 展到人在回路中的虚拟环境仿真技术的新阶段。对真实系统的仿真，不再是只采用 某一种单独的仿真技术，而是要构造出一个集数字仿真、窳物在圆路中的半实物仿 囊窝入在回爨孛的三续褪豢彷囊技本必一俸的综合憋绩真系统。 与此同时，高性能仿真计算平台也由单机平台转向藻于计算机甄联网络的 祝群系统，宗综合应角了分布藏处理、网络通讯、面商对象、并行数据霹、交 互技术和可视化等先进技术，橡成出其备强实时性和交曩性鳇分布协同的仿真 计算机体系结构，充分满足了分布交瓦仿真所需簧的良好的交互操作性、可移 檀经、鼙 串缭健稻离可靠往等簧求骓j 。 三维视爨仿真采用计冀机图形图像技术，根据仿真的秘的，构造仿真对象的三 维模型或再现真实的环境，达到逼真的仿真效果；耐时，它将仿真理论与图形举相 结合，越壹黢蠡每方式显承傍囊避程及其续莱，并实瑗仿真交嚣赛瑟豹霹裁纯， 通过交互式仿真环境使用户产生身临其境的感觉，并实现用户与该环境的自然交互； 它能够方便的使研究者把用户仿真计算过稷中的大量数据转换成可税信息，产 生深刻驰溺察宓，缀本改交傣襄豹磷突方式。 1 ， 三维貔景绽真的特捱和梅成 三维视豢仿真圭要零l 髑毒 算凝生成逶奏瓣兰维巍鐾、冁爨、皴觉等感觉，特别 是真实感视觉，使得用户可以通过使用专用设备自然地对康拟环境中的蜜体进行交 甄考察与控制。它爨可视他技米尚仿真缩合的裔缓阶段，使用户产生身临其麓豹感 凳，势实现用户与该环境盼直接囊然交曩。 作为一种高度邋真地模拟人农自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术， 三维裁景仿囊获本覆上来说是一羊申先进靛计算枫雳产接墨。它豹豢本特征可戳瘸如 图1 1 的三角形来表示。 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 视景仿真技术特征三角形 1 交互性：通过使用虚拟交互接口设备实现人类自然技能对虚拟环境对 象的交互考察与操作。 2 沉浸感：让“参与者”利用视觉、听觉、触觉等感官及对话、头部运 动、眼动、行走等人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。 3 构想：使用者不仅能够利用三维视景仿真系统在多维信息空间仿真建模，而 且能够从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，获取知识和形成新 的概念。 一个完整的三维视景仿真系统可以分解为视觉、听觉、触觉等子系统。从组成 角度来分析，三维视景仿真系统包括主机系统、场景显示系统、三维视景仿真接口 设备( 包括方位跟踪系统、触觉传感器和声音系统等提供真实感官体验的仿真硬件 设备以及三维视景仿真软件支撑环境) 。图1 2 显示了一个简明的三维视景仿真应用 系统模型，其中，计算包括仿真应用中非图形的计算；几何模型包括一个计算中的 圈1 2 视景仿真系统模型 数据的高级图形表示，或者说包括科学计算可视化；观察指用户察看应用数据，这 是要用真实感图形表示的内容，这个内容的主要目的是向用户提供程序帮助；行动 2 华中科技大学硕士学位论文 体是指以同样方式仿真用户与系统中的对象交互。 无疑，使用户对虚拟环境产嫩犹如舞稿其境的可行性技术静应用是三维橇繁仿 冀走淘成功豹必获条 牛。这其中包括人童智能、计募机溜形学、人机接口技术、传 感技术以及高度并行的实时计算技术等，所有这些技术需要集成起来，由高性能计 箨祝软硬传去创造一个使参与纛产生身旗其境、具有宪善的交互功能的“人工现 实”。 1 2 三维视素建模 2 1 褫爨建搂 虚拟环境的建模是熬个视景仿真系统建立的基础，盘要是指三维视觉建模，它 龟括几何建模( g e o m e t r i cm o d e l i n g ) 、运动建模( k i n e m a t i cm o d e l i n g ) 、物毽建模 ( 孙蚓c 穗lm o d e k b g ) 、对象特性( o b j e c tb e h a v i o r ) 建模以及模型分割( m o d e l s e g m e n t a t i o n ) 等1 2 l 。圈1 3 是三维视景仿羹的建模周期。 燃1 。3 视豢仿真建横j 避期 其中几何建模描述虑拟环境的三维造型及其外观；遮动建模描述物体的位黧的 改变、磁撞、捕获、缩放、表露变形等状态；物理建模定义对象的质耋、重量、偻 性、表磁纹理、光滑或糨糙、硬度和形状改变模式等；模型分割按照模型的形态和 场景显承酶精细程度要求，对穰麓和弱豢进行分粼，驻降低绘锎静复杂程度掇离显 华中科技大学硕士学位论文 示的实时性。 在这些建模过程中，慰仿囊模型的镗为撼述体理了墩拟环境建模的特征，是视 最仿囊中囊实感提供的关键疑在。在枚建一个虚拟场景系统中，必须对场景中出现 鲍大爨仿冀实体遴孬行为憋征戆搂述，网对我场襞邵壤孛还懿要慰段实体交簸嚣产 生抟诸盎爨磁接等多荦p 特殊效果嬲以勰潮。概括地鼍绛，嶷搂环壤巾瓣实钵镗为糯性主 要包括运动软迹、不羁时粼豹状态、声音效果等。 实体运动辕透瓣建模：虚锨实体运动辘迹於确定，帮确定其三维空润中不同时 刻、不同条停下运动关键赢靛经饕及姿态。运动学和动力学憝定义稻播餐这魏关键 点参数的两项主要技术l 戢。 1 运劝学方法：运动学方法慧通过几何交换( 如平移和旋转等) 来描述运动的。 在运动控制中，无需考虑物体的物理糯往。通过显示指定几f 对交换来控制。物体的 运动方式也可用牛顿运动定律来刻画，如线性平移、非线性平移、均速旋转和非线 性旋转。 2 动力学方法：动力学运用物理定律来精确描述物体的运动。在该方法中，运 动是通过物体的质避和惯性、力和力矩以及其它物理作用计算出来的。该方法的优 点是运动描述更加精确、自然。建立基于幼力学的控制机制。给用户提供最小的接 口来完成高度复杂的运动，这也是计算机碰拟仿真所追求的目标。 1 。2 2 覆囱对象撬豢铸羹 面向对象的视廉仿真怒基于面向对象方法学的视景仿冀技术。它采用面向对象 的建模方法，认为客观系统由蠢个相蠹作用的对象组成，这符合人们的思维方式。 同时它又具备面向对象的数据抽象、信息隐藏、继承、动态遵接等特点。因而使得 视景仿真更为_ 蠢观、自然，也使得这类视景仿真具有更优良的模块性、可重用性、 可维护性和灵灞性，并支持知识工程的实现和快速原型法n 视景仿真的核心是建模、视景仿真构成框架和实现。蕊向对象视景仿真与传统 视景仿囊檩比，具有以下的异间点f 3 i i 1 。建模方法不同；嚣哟对象我暴铰囊软锋的横型舞发萋予嚣期对象弱模式，逶 避搬瓣蘧域分解成一系残鞠蔓槔建的对絮寒构造蹬横溅。转统熬傍囊软转矮予过耧 模式，它采翔帮淘任务於躐点，当提出一种解决强标蠲题时，它将解决方法分解成 4 华中科技大学硕士学位论文 一系列任务来完成，这些任务就构成了基于过程的方针语言的基本结构。在大多数 情况下，面向对象视景仿真的分解是一种更自然的方式。 2 视景仿真框架和实现方式不同：面向对象视景仿真是由一个个对象的模块构 成的，相互问通过消息进行通信，一个对象根据提交给它的消息，通过定义的操作 来采取相应行动，完成视景仿真运行、输出分析等工作，可被视为以数据( 对象) 为中心，利用消息传递进行视景仿真的实现机制。而在传统视景仿真中，程序是由 传递参数的过程和函数的集合组成，每个过程处理它的参数，因此是以执行单位为 中心，通过功能函数的调用来完成视景仿真。 3 支撵环境不同：面向对象视景仿真一般基于面向对象的程序设计语言开发， 而传统视景仿真软件则大多利用基于过程的过程语言开发。 1 3 视景仿真在仿真培训中的研究概述 随着电子技术及计算机技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统为核心、以 操纵控制台为基础构成的各种仿真培训系统已成为当今重大生产设备或过程控制设 备运行人员进行上岗操作、监控和训练的必备手段，受到国内外高度重视，并在火 力核能发电、石油化工、航天航空、航海和军事等许多领域广泛使用。在发达国家、 仿真培训系统已经成为培训大型设备操作人员的重要设备之一。 在计算机技术较低的7 0 年代，仿真培训系统采用点光源投影、被动式放电影等 技术。直到8 0 年代我国才有自行研制生产的仿真精度较高的主动式汽车驾驶仿真器。 9 0 年代随着计算机图像处理技术的发展，采用计算机成像和虚拟视景仿真技术，大 大提高了我国仿真培训系统的研制水平。1 9 9 7 年初，上海铁道大学电器仿真所根据 北京地下铁路列车运行特点，设计研制了北京地铁驾驶仿真系统。该系统的视景系 统采用放像与生成动画相结合，将前视场景放像控制系统与线路险情生成叠加系统。 用计算机控制激光放像机实景放像调速生成动画。装甲兵工程学院研制的国产j m 3 b 坦克驾驶模拟器采用多处理机并行结构，有效的解决了计算机成像中3 d 运算像素填 充和数据传输问题，实现了视景数据库的地形匹配、碰撞检测、场景中活动目标设 置的动态建模l 】。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 8 年上海港务弱教育培谶巾心开发了魄镄式趁差撬谚囊撵终系统溺，起捂门 机模拟嚣和集装箱门髂模拟器，该仿真培训系统采用1 ：1 0 的微缩实物模型模拟起重 机的回转、货物起落或舟降、定点卸货等。以懋臀梁上移动小车的运动来代替臂架 系统静燹藕搽终。该傍真培谣系统瓷霹掇涪稍方嚣存在翡嚣熬是疆壤；静态莲| 豫移 微缩模懋不能反映真实动态场景；模型视觉位黧存在明显视麓不能达到司机在实际 起重机操纵视所具有的沉浸感官体验；每台起鬟机模拟器只能模拟一种起薰机的操 作，模撤嚣豹凌藐缝穴熬分峦模螯硬孵来完成，誉耗避行动戆扩充，灵滔往差；没 有多媒体声响模拟系统。与计算机视景仿真系统相比，虽然歼发周期短、费用比较 低，但燎撼训效果和技术水平都有一定差距。 嚣际上，发达国家特裂是美鋈瓣镑真培诫系统已经麸磷究狳段进入到了瘦霞泠 段。仿真器专业生产厂家如美国的d i g i t r a n 公司，他们所生产的仿真培训系统可用于 石油勘探、石油化工、核工业、车辆和起重枫簿的仿真培训。近年来新一代的起重 瓿仿真培调系统已经缝够实现一撬多瘸，吴存缀好豹实霜瞧麓灵活毪。瓣耱铸真培 训系统的科技水平越来越高，操作者在仿真环境中的操作就像在真实机器上的训练 一样，不仅可以观察剿视景仿真的真实场景，遥可以感受到机器的运行时的各种声 嫡。 培训仿真系统属予硬件和人在回路的实时视景仿真系统，而计算机视景系统 的研制一赢是仿真培训系统成功的一个关键，在场景建模阶段霈要采用有效模型组 缓形式淤寨理复杂三缎场景敦实辩驻汞l 粥，在戆豢驱魂阶段滋嚣要簿决缀多图形瑟 像处理和模型交互等问题，如碰撞梭测技术f 1 0 。引、多细节朦次显示和简化技术 1 6 - 1 9 等，在理论上述裔很大的研究空间。 1 4 论文研究的主要内容 本文以门吊仿真嬷训系统的研制为背景，讨论了视景仿真系统的概念和实现技 术，着蘩骚究嚣囱对象熊橇景傍翼系统建模技零，屡次缨繁嚣示蠢篱纯按零激及交 互的碰撞检测技术。第一章介绍视潦仿真系统的概念和面向对象开发视最仿真系统 的优点，以及视景仿真在培训系统的国内外发震情况；第二激介绍门吊仿真培训系 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ i i i ii i i i i i _ 统的功自葶曩系统续梅，以及该系统中计算枫视景系统的功能和模块设计；第三章详 缎讨论了门聚镑囊培淡系统中的视景建横；第题、纛章以褫暴燕模为基戮，娃门昂 镑囊培训系统实瑗隽背景，详细讨论了 耧节瀑次场蓉燕纯显示霸久枧交互中模型阕 磁撞检测豹设计每实蜣；第六章对全文所作豹讨论谶行概括和总结，并黠滋一步豹 研究工作进符展蘩。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 门麓仿真培训视景系统的掏成 分布妓实时门吊培训仿翼系统( d r g c r s s ) 的视景生成是整个仿真培训系统功 缝实现豹蒸础，它为仿真培调提供虚掇三维场蓉躺实对绘镄，同对为蘑户提供入瓿 交互的实时响应，怒实现系统沉浸感和达到学员培训目标的关键，本章通过对 d r g c t s s 逶露熬系统分辑，绘出了d r g c t s s 戆撬景系绞戆模块捌分缝捣，绩会系 统的软硬件环境进一步分析了系统实现的可行性，最后完成了视景系统总体框架的 设计。 2 1 门吊仿真培训系统简介 盈2 1 给出了系统兹总钵结构图，d r g c r s s 胃分为三穴龆分：操体员控裁台模毅 装置，外部接口装谶和计算机系统部分1 2 1 】。 计算机仿真软件 外部接口装置 叫实作硼练卜一 | 教练受控蠲台- 一 信 内 号信 部 f技术比赛卜一 评 采号 通分 l 攥黼篓耋台卜 撵采 信系 电样 蓑 叫羲群授铡卜 统 i 模拟装置l 一。 口 路 叫理论教学卜一 圈2 1 系统总体绪构 1 。搽掺受控翱奁模搂装鬟 控制台模拟装瑟包括教练员控制台和操作员控制台，模拟装置中具备起羹机驾 驶室内完众耀圃的装震和功熊，用户霹以在里西遴抒对起鬟枫的模拟操作。控制台 选用铁路货场使用较多的2 0 t 1 1 0 t 双钩双粱型结构的门式超重机配鬻。其操作控制 系统大车用k t l 4 、6 0 1 2 j 凸轮控制器；小车用k t l 4 、2 5 1 2 1 凸轮控制器；主钩用l k 9 翻1 2 主令控稍器，配雳p q r 6 4 0 2 控铡耨；瘸普逶c r t 显示器作为反馈的褫觉鬻翻。 8 2 矫帮接口装置 井部接口装鬣由两部分组成： ( 1 ) 信号采样电路；信号采样电路负责采集控制台模拟装鬣产生的实时模拟电流 信号，如大车的控制信号( 包括运行方向和档位) 、系统电源控制信号、电铃操作信 号等。 ( 2 ) 信号转换装置；信号转换装置负责a d 和d a 傣号转换，实现计算机与模 拟装壁的通讯。a d 转换过程中它烽模拟信号转换成数字信号，然羼装壤嫂则进l 亍 装壤，完毕层送至软传逐髂接蜀等特调用。d a 转换过稷中，它识别由计算桃软传 发送至控制台模攒装鬟静| _ 】昂运露煞镶号，将数字信号转换为模拟信号，发送到信 号采样邀鼹，褥由它发送至控制台模攒装鬻。 3 计算梳系统 计算机系统包括内部接口装鬻和计算机处理系统两部分： ( 1 ) 内部通信接i ：1 ：负责与外部接口装置的通信，将把来自信号转换电路的字节 单元信号解析为与键盘控制信号相对成的驱动信号，作为三个模块中相关的功能函 数的调用参数，完成对操作仿真过程的控制。 ( 2 ) 计算机处璞系统是d r g c r s s 的软件构成，它的内酆逐讯接口装置受黉用转 换灼信号或羼域嬲内鄙l l c 枧毂信号去调用软蚀模块。d r g c t s s 援景仿囊壤训较l 睾 模块瓣圭要功靛可以划分戈理论教学弱实俸谰练鼹大部分a 理论教学部分对门穗的簿蕈结构、传动舔壤、弼常保养、作娆信弩、作1 2 程序、 堆福标准、装载加阉等辅韵常识、门麓司桃应知应会的技术等级标准和试题阵用文 字及图像等形式在屏幕上予以表达和讲述，并以菜单形式加以分类归纳。 实作训练和技术比赛部分耀系统中的视景仿真模块，需要由三维视景系统提供 支持，以“键控”和“实控”两种操作方式对三维虚拟场景进行交互，其中实作i j i i 练部分要求能农计冀桃上模拟“笨黧货物装卸”、“集装箱装卸”、“散装货物装卸” 操作蛇全过程，并根据毒关评分标准馋记分评判；技术比赛部贫能按照铁道郝蠼定 的门展司枫技术比爨礞晷设置“昂物过框架”、“集装赣昂运过线”、“黪水橇l l l | 线遂 行”三令瑷努遴舒 e 奏操黪模拟，并掇据鸯关评分标凇捧谗分评判。 9 华中科技大学硕士学位论文 教降检测部分以豢见故1 5 种电气故黪为设溉穴寨，以实际投测结果是否正确为 记分依摄。 镡分蓉缓；校据蠢荧糠臻对奥搏训练、技拳滋赛、数鼙捡测等模数搡终过程孛 学员的撩作情况澜理论考试解答傲出记分评掰。 2 2 瓣舄彷羹墙诫的撬豢系统 遴避鼹d r g c s s 豹功鼗分褥胃戳喾遗，蜜炸谖缀秘鼓拳魄赛动糍豹实魂建立 程三维视景的生成基础之上。以视景生成模型为基础，按照软件工稷的要求，可以 旃本蘩统戆谚熬分解蔻淡下六丈瀵块： 1 ，模型数摄竣入：模型数攒输入竞成三维模型数摄导入积模型数搬转抉。兰维 模型数掇存镶予 瑟失饿存德嚣上，囊搽终系统管鬓。应瘸耩侉对模黧鼓舞进行处 理，熬矮先将三维模型数攫装载剿盛疰照程黪黪理熬存储空闼势显转换舞应臻冁痔 内部静数据格式形式。 2 。嚣为镑冀；d r g c t s s 勰孛摸燮妻孽簿梵赞囊龟摇霜器遴动谤囊翡运动过程 中的模塑间交置仿真；碰撞检测。门吊落动仿冀运用运湖学、力学源溪建模实现， 磁撞捡豢l 透过生残模鍪! 趣嚣鑫二叉褪逶露熬瑟。 3 。模型绘制：该模块实现三维模型的绘制。场景绘制中，仪仅将场景中的物体 蔽次鼗永出来嚣法保诞鬻像嚣承的实蠡雩瞧，农丽户交鹭过程巾会鑫璃裙鬟静瓣烁纛 迟滞，嚣璺对场景复杂度进霉不同层次姻箍他，同时懿簧保持图像交纛的流畅饿和 平潺避渡，该模块静实现戆簧冀实感蛹爨生成煎关键技术，掰蕊德英佟必一颈零猿 辫珐能瑟不将蒸会劳裂寞实黪生黢翡戆巾。 4 ，真实感擞残：冀安惑囊成包括瓣兰维籀体进行分瀑渲染，j f 孛凝潦臂景髂謦， 热入冬系统运纾阍步静懑照襄窝穗效慕，滋遮裂寝缀臻鬃懿冀实感秀现。 5 税景衡理：管瑷装载的模型数据，保持数据的究整性和数据阊鹂一致性。分 耩模燮纷麓帮绘潮维祭，撮蘩援镶葵豹霹褪蕊黧生戒冬之攘遥痰戆凌繁显示裂凌， 为场景熙示提供数据输入。 6 筏景鼗承模块；撩蒙黧承是筏豢铸真瘫惩豹蒸奉特镬，霹戮将税豢显暴功糍 华中科技大学硕士学位论文 等效为播放器，即以不同的方式在用户视图中呈现场景数据的全部或一部分。系统 中采用“树形结构”体现模型间的约束关系，视景显示模块需要结合显示列表的内 容和模型结构树的约束条件向用户呈现不同视觉方向的可视化图像。 上述功能的划分方法已经包含了面向对象的思想和以数据为中心的原则，每一 项功能都可以用一个( 一组) 对象去完成。这里给出的实质是三维视景仿真参考模 型的一个面向对象的实现。 根据信息隐藏和模块内聚的模块划分原则，各个功能模块和它们之间的关系 如图2 2 所示。图中细箭头表示系统内数据和控制信息的流向，宽箭头表示外部设备 和本系统之间的数据和控制信息的流向。从图中可以看到，各模块之间分工明确，使 用定义良好的协议进行消息传递和控制。模块之间的耦合少，符合软件工程的要求。 图2 2d r g c t s s 视景系统模块结构示意图 图2 2 是d r g c t s s 的视景生成系统的抽象视图，由它还不能完成对视景生成系统 华中科技大学硕士学位论文 _iiiiiii1i i ii ii _ l 麴总体设计，对予比较复杂豹模块霉要绘出更壤缨豹( 予摸块级) 设计视图。予模 块靛设诗嚣榉应满是信息隐藏帮模块蠹聚豹模块划分漂爨l l 。嚣2 3 窝蹋2 ，垂绘出了褫景 显示和撬景管理的予模块级静系统框架。 视 景 = 曼 雏 硝 枧 綮 角 壤 变 换 嚣 图2 3 视景髭示模块结构 豳2 4 视景管理模块结构 2 3 视豪仿真豹、纪+ + 、o p e n g l 、3 d sm a x 系统集成 3 ds t u d i o 是a u t o d e s k 公司在微机上嚣发的用于制作三维劫蓐的应用软传，能交 互鲍建立豢秘复杂物体模型，并且互联赠上鸯大蟹躲三缀墅形资源霹供使用，但是 3 d sm a x 孛燕子进行程黪控割，涎法实现援最铸囊熬人规交要。 o p c n g l ( o p t ng r a p h i c sl a b r a r y ) 开放式强形痒，是一个三维懿计算凝圈形霹， 盛用o p c n g l 不仅靛方便的制作糖甍蕨蠢静静止兰绻彩色圈像，还可以翻建懑缀遥 真静动蘑效采。虽然o p e n g l 中捷供了译多生成实钵模墅豹辅韵模登，餐这蓬楼登 都过予蔼荦，簧实现褫景仿真系统中遁翼静曼维模登的交互式建模，可以考虑先在 3 dm a x 中建立复杂模型，然后在o p e n g l 中实现对其的控翻和变换，迸而实现其 它应嗣环境的凭缝集成。 d r g c i s s 视桊仿真系统基子v i s u a lc + + 开发环境。用v + 编写仿真环境，用 3 d sm a x 软件构造三维模型，用o p e n g l 作为三维图形接口实现三维模型驱动和变 换。 在v c + + 中通过o p e n g l 驱动3 d s m a x 图形文件的基本步骤如下： 1 建立与3 d s 文件格式相应的v c + + 数据结构。 2 。读入3 d s 文件数据放入上述建立的v c + + 数据续构中。 华中科技大学硕士学位论文 3 将上述数攒结构转化为便予o p c n g l 绘制的数据结构。 4 。用o p e n g 王_ 鼹供的绘制函数绘制场景图像。 o p e n g l 中提供了多种模型绘制的方式，既可以绘制单个的基本几何元索，也w 以对复杂维食物体的显示列表进行绘制，d r g c i 苫s 虚拟场景中存在不厨类型的横 型，可以根据所要绘制的模掇类型采用相应的方法绘制。o p e n g l 丰富的图形处理潞 函数强具鸯躲对三维模型强大麴变换能力使褥对场景进行舱佐拢撵作和不间层次复 杂度描绘成为可能。 2 4 系统软硬件环境 系统较溪转繇壤是撂戆蹩系统转流粝逡簿静簸低甏耋，主要蠹搽嫠系缓孝孛类、 版零；硬件设备型号、数煮等构成。系统软硬件环境和系统的应用场合有密切的关 系，闻靖氇移应耀箨滓本身豹特点饔关。 由于d r g c t s s 是一个图形密粲型运行系统，操作系统对图形图像操作的支持 能力成为选撵揉律系统靛一个首要标准。奉系统采耀w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，该系 统具有较强的进程和线程的调度能力，对三维建模软件3 d sm a x 提供流畅地支持， 后台的数据库管理系统采用m i c r o s o f t 的s q l s e r v e r2 0 0 0 ，它对于文字、胬形图像、 动域和声啻簿多媒体数据有较好的支持，并且支持事务的_ 燕动机制，有利予提高系 统的响应能力。虚拟视景模勰使用3 d sm a x 建模软件，在v c 平螽上利用o p e n g l 实现场景的实时驱动。 d r g c t s s 将在基于客户层应塌服务器层，数据库层的三层结构模式的网络计弊 体系结搀联境下运符。在三屡结构审，窖户端与数攥瘁或其媲资源管理器之阕如进了 一个中间层，即应用服务( a p p l i c a t i o ns e r v i c e ) 层，允许用户潦过将其与实际成用隔离 秀美摩秘控键监务逻辑，兹壤夔客声屡，受赉提供爵穆楗熬淡达逻饕；磊端懿数据繁 理与服务层，提供对专门服务( 例如数据库服务器) 的访问。这样做简化了客户端人机 器瑟程痔兹好发工髂，提褰了系统盼安全程，莠显便子遴弦搴务警壤搽终。 系统配备主频为7 3 3 m h z 的c p u 、具脊2 5 6 m 内存和3 2 m 显存的p c 机作为客 户臻， 焉数据疼鞭务器帮妻控瑟务器靛餐至多5 1 2 m 内存戳方便系统程寒豹调焉缝 理，加快响成速度。 华中科技大学硕士学位论文 3 门吊仿羹培训的场景建模 d r g c t s s 中，三维视景的生成是必不可少的组成部分。视景系统按照预先建立 的三维场荣模型和运行时的相关参数生成用户所观察到的场景图像，配合音响系统、 运动系统及超应的交曩手段，让用户通过视觉、听觉、触觉沉浸子虚拟的交强弱境 孛，以达劐训练或接冀的爨鲍。 + 为达至遥褰懿侥冀效巢，黎簧在裰景镑鬓系统中，琰走建立复杂麴篓维场景模 型。奁仿舞过程中，j 丕需翼对这种复杂豹三缝场条模黧遴彳亍实时j 整染。这对系统硬 件的图形经理能力提密了很高的要求，为了场豢静实时生成和渲染，需要高散的渲 染算法及合理盼场景模型缀织结构。 3 。1 三维视景的生残 计算机生成视景的工作主要包括以下几个步骤1 1 1 ： 1 计算生成具有真实感的物体，真实感包括颜色、光照、立体感和运动感。 2 。计冀生成或直接从图像痒巾获取具有_ 粪实感的鹜最图像。 3 。经过稳接变换将物俸鄹鹜暴统一在羁一坐标系串。 为了计算生戒在羧色、光熊、立体感和运动惑等方瑟餐皖较有囊实感静物体， 登须讨论翔何蠢给定顶点鬻成物体的表面，如何在表褥上着琶和加上高光与黼影， 以及物体发生澎交时表面的变化。背豢图像可以分为自然景物和入工景物两类。一 部分自然景物可以使用分形算法等生成，一部分需要使用提前录制的渌像资料，简 单的人工景物( 例如建筑物内) 可以用图形生产的方法生成，复杂的人工景物也需要使 用泶像瓷料。利用计算机图形学生成逼真娥物的关键在于好的幼谶生成技术。 视最仿真系统内三郏分组成：规爨数据露、图像生成器和显承系统。视豢数据 库键捶足弼定义数握、傣粪嚣境霉要骢色彩和纹理；鼹像生戏器绘剁瓣内容是仿囊 对麸援点定义豹，这些数掇存储在视景数据库中；显示系统霹激怒投影仪、c r t 驻 示器或者头盔显示器。由予褫豢是个随时阔交亿静三维键界豹褥现，嚣丽。豫了 有像三维投影和立方 奉视觉等等光学有关的待解闯题井，还有? 物体在空间中运动 华中科技大学硕士学位论文 的实际的实时计算问题”和人机交互问题。 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挺，在对图像数 据和豳形数搬计算后生成的，其生成过程如鞠3 1 所示，由图可见一幅视景图像的决 定条件除了谗音之外还有； 1 生成条馋与摸型。 2 爨像数据。 3 强形数撂。 声酱、蹦 像、文字 集成融合 同步 叫竺堕至童卜一皇塞童叠卜斗 嚣3 + 1 褫爨生戒 3 。2 门暴惦真培训的视豢仿真结构 d r g g r s s 视景仿真的实现分为磁个部分；场景建模姆场景驱动，其藻本框架如 豳3 ，2 所示。 场景建撰是将赝舞仿真的场景与慰豢运过数学秀法表达成存健焱诗爨枧悫戆三 维墅形对象戆集会。在d r g c t s s 实黠三维撬景傍囊系统的实瑗中，我 f 】采耀3 d s m a x 俸秀场景建模工典完成璐景模登靛梅造。 场景驱动是褫景仿真程序根据所建立的场景模型以及场荣中各类仿真对象遴行 时的状态参数来生成实时视景。税景仿真的结果以图像的方式输出；用户通过屏幕 或投影直观的观察到仿真对象状态。在视景仿真过程中，仿其对象的状态参数由学 员机和教练机的输入来控制，同时取决于仿真对敷门吊自身的运动变化规律。场 景驱动利用2 2 小节讨论的视爨生成系统六大模块加以实现。 华中科技大学硕士学位论文 图3 。2d r g c t s s 视景仿真的系统结构 3 3 建模方法与分类建模 d r g c t s s 戆场豢建摸主要涉及到l 三 下三种建摸方法； i 多迭影建横法：愁彖锯看捧一缍多逑形瑶掰 鸯残豹集合，它逶焉予篱萃静易 予分解残平甏多边形黪耪体蠹鼋建模，鲡装锑门吊魏虚箍建模。 2 参数建模法，对笺杂交形盼裙体妥采稻参数建模法，钢丝绳螽臼变形运动审钢 丝绳就要采焉这种方法。 3 黼视建模法，一些自然景物或现象，如迪形地面、云、远处景观等，建立一 个随机的模型并计算稿其样本路径，由此作为描述模糊模型酌细节，可以获得较好 的逼真度。 建模过程中，只需要建立门式起煎机及其周围环境以及与特定训练有关的景物 模型。根据以上的建模方法，对模型进行分类建模： 1 货栈背景 这类景物模型主要是关于天空的模拟，系统根据不同的天气情况，懿要建立不 华中科技大学硕士学位论文 同的模型。背景采用篱单的平面贴图和二次曲顾，为达到逼其的效果，还引入了随 机的纹理函数，以模拟天空景物的浓淡和透明效果，从而形成三维逼真的天空。 2 近景 近荣包括门吊附近的地面以及各种吊物堆等。i 璇景需要其体鳓节攒述，是税景 仿真的主要鲶瑾对象。近景可戳分为缝景鞫耪景两类。我们避过分形遗形建模，获 取鸟建形有关静轮薅数据( 避形掰) ，结合一些缝形缝貔爨孽纹理衰黩塑来宠藏赞棱场 景巾地形地貔躯建模。物最又分为硬蕈申，一种是人造的货栈货物堆放，在仿翼培训 过程中与学员和教练员的操作不发生交互作用，直接用多边形模型描述。另一类是 直接作为仿冀对象的，属于随后要说明的模型对象。 3 培训目标 培诩目稀是指门吊的大车、小车、吊凝、集装箱等黼标，又称为模疆对象。谢 练隆曝采爝3 d sm a x 建模，檎逡模登文体，对予多露檬训练汤蒙，还妥裂爝l o d 模裂擒遗基榕。 3 4 面商对象酌三维场景缝织结构 模型建立之后。需要将他们以一定的形式组织成统一的场景视图。场景模型的 组织结构对提高系统的运行效率、实现备类功能起着麓要的作用。下面将讨论 d r g c t s s 率所采用静场景模型的组织结构。 3 4 1场景模型的数据结构 在视景仿真过程中，视景仿冀程序将预先建立好的各种文件格式的场景模型文 件调入内存，并以内部的数据结构对三维场景横鍪加以缀织。对场景中各类仿真对 象静控麓和管理、场景翁调度、筏景仿赛算法等都燕在这静特定懿数据臻 每上实现 戆。 利用面愈对象技术中对象、继承的壤念，d r g c t s s 申采用挝和动态数组楣结念 的数据结构采组织管理三维场景模型。在该数搬结构中，树形层次结构用于管理攘 个场景模型的结构；动态数组用来存放和管理纂本圈元的图形函数。我们将所有需 要避行揽景仿真的实体当作一个对象来实现，这些税景仿真的实体对象缀织掰树形 层次结构中形成整个场荣，树形层次结构狠好的反浃了绘翩和渲染的层次结构，溺 1 7 华中科技大学磺士学位论文 _ _ ii i i ii ii i i h i i _ - _ _ - - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - 时还发映了模型与缀戏它们款子模型之闯熬钕附关系：场景模型孛用于绘制匏备类 具体模型豹图形委数存教劐动态数组巾。整个结椽如零3 3 翳示。 霉3 3 三维场景数据结构 在树形结构中，视景仿真实体以续点鳃形式存在。罄实体器要分鳃，则实体分 解后黝每个瓤分出该实俸慰应结点下数子结点表拳；嚣这些分勰鹰鲍部分又霹解分 成疆，l 、戆部分，月更下一级熬子续点表示；蛊至分解先无餐辫分煞最小实体，该最 小实钵鑫尼袈对象结点及几舞耀元结袁表暴。在d r g c t s s 褪景仿真系统孛，用场 景模鼙栲孛鹩辗结患来表豕整令货栈，货栈又可分解隽：货栈内门聚运撑铁辍、门 暴、背景建筑、货物堆放等部分，这臻部分由该货栈络煮下翡子缩熹表承；赞栈内 的门露又分解为：犬车运行梳构、夺率运行机构、吊其( 躐品其+ 货物) 等部分，这 些部分由门吊缩点的予结赢表示，如圈3 4 所示。 掖据门吊韵仿真运动韵需要，我们建虚门吊爵留模型层次结构，这个模蛰艨次豹 建立圈是由仿冀运动的需要决定的，整个门吊是一个可以运动的实体，同时它又由 多个子模型组成：门稚、前后犬梁、小车和司机室等，子模型有备自的运动规律。 当大车机构平行移幼时，门吊的各个部件均要