（载运工具运用工程专业论文）基于微机的多通道列车视景仿真系统的研究.pdf

鞭粥交邋大学硪士联究擞学位论戈一璺旦i 摘要 f 。 视聚傍囊系统怒列车仿真器的熏要缆成都分，穗是衡羹一个仿真器 先遗与否的关键戮素。钎对瀚内离襁剜车仿真系统翰需求和鬻矫离稍戮车 镑凑系缀昂爨款戮状扩本论文撬燃了一餮鏊予强狐的、多懑遂、爨骥场熬 列车李燕最掂粪系绞，著对凝聚谤囊节点遐瓣实露逶讽、襄突感鹫形熬实时 绘制等关键技术进抒了硬究，主骚工作龟括： 1 在l i n u x 环境下建立了基予o p e n g l 的海缓视景玎发环竣一一采 用i r i sp e r f o r m e r 实蕊对场景的俊遴绘铺，讨论了三维视景数据的建立、 缀织与麓纯。 2 。实瑷了蘩予徽枧黪多通遴裰豢佐囊系统，露为参与爵程供甏宽的 睾见场。该惹缝采髑分毒式体系结橡，通过l p 缀撩与苹摇襁续合的形式实 瑷节点阅蕊通信，g 满足列车仿粪系统豹实瓣性要求。与鏊予s g l 嚣形王 佟站的视祭系统桶眈，该系绕具有结构灵活、易予扩展手| 级、成本低的优 点。 3 采用摄影纹纛映射技术实现了像索缀光照效聚，并成功地弼来穰 掇萝l 车头灯采翊鏊予骥瓣纹理懿投菇技术蜜对室袋获影，强赢了辛鬟景仿 真粒囊实感。提出了灞影滋盒生减法帮弱影褥 搴努逸鞠缝合涎方案，生残 隅影可根撼物体和光源龄关系选择拯虚的弼澎生成技术，较好的勰决了臻 彩生藏速发鞠囊实感闯静矛鼹。， 4 在捌率褫潦仿真系统中采爝节点切换机制耩纹理映射方法，初参 实躐爵孰、火灾事俘秘模 彗 ，可以为接受蘩硼豹学员撬供突发搴敌辩调练： 关键馕：刊率债囊蓑磊：谈爨密：阴影i 宴”爽实感囊彩；绞建凝瓣 西南交通犬学硕士研究生学位论文第页 a b s tr a c t v i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f a t r a i ns i m u l a t o r , i t i sa l s oak e yf a c t o rt oe v a l u a t ew h e t h e rt h es i m u l a t o ri sa d v a n c e do rn o t c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t o ft h eh i g h - g r a d et r a i ns i m u l a t i o ns y s t e m si no u r n a t i o na n dt h ef a c tt h a tt h es y s t e mi se x p e n s i v ea b r o a d ，i nt h et h e s i st h ea u t h o r i n t r o d u c eat r a i nv i s u a is i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do np c s w ec a ni m p l e m e n t m u l t i 。c h a n n e la n dw i d ef i e l do fv i e w0 1 1i t 。a n dt h ea u t h o rh a sd o n ear e s e a r c h o ns o m ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha st h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n sa m o n gt h e s c e n eg e n e r a t i o nn o d e sa n dt h er e a l - t i m er e n d e r i n go fr e a l i s t i cg r a p h i c s t h e m a i nr e s e a r c hw o r k si nt h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 a no p e n g l h i g h g r a d ev i s u a ld e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ti ss e tu p i r i s p e r f o r m e ri su s e dt or e n d e rt h es c e n eq u i c k l y 。a n dt h eb u i l d i n g ，m a n a g e m e n t a n d s i m p l i f i c a t i o no f 3 ds c e n ed a t a b a s ea r ed i s c u s s e d 2 am u l t i c h a r t l l e v i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do np c si si m p l e m e n t e d a n dc a np r o v i d ew i d e rf i e l do fv i e w d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ei sa p p l i e di nt h e s y s t e m a n di pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hu n i c a s ta r ea p p l i e dt o i m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n t h en o d e s t h es y s t e mc a ns a t i s f yt h e r e a l t i m ed e m a n do ft r a i ns i m u l a t i o ns y s t e mc o m p a r e dw i t ht h ev i s u a ls y s t e m b a s e do ns g lg r a p h i c sw v o r k s t a t i o n t h es y s t e mh a saf l e x i b l es t r u c t u r ea n da l o wc o s t ，a n di ti se a s yt oe x p a n da n d u p g r a d e 3 p e r 。p i x e ll i g h t i n gi si m p l e m e n t e db yu s i n gp r o j e c t i v et e x t u r em a p p i n g t e c h n o l o g ya n ds i m u l a t e dt h et r a i nh e a d l i g h t ss u c c e s s f u l l y s h a d o wt e x t u r e c a s tt e c h n o l o g yi s a p p l i e dt og e n e r a t er e a l t i m es h a d o w s t h e yi m p r o v et h e r e a l i t y o ft h ev i s u a l s y s t e m h y b r i da p p r o a c ho fs h a d o w sg e n e r a t i o na n d s h a d o w i n go b j e c t s f i l t e r e d p r o j e c t a r ed i s c u s s e d a c c o r d i n g t or e l a t i o n b e t w e e no b j e c t sa n dl i g h ts o u r c e s ，r e l a t i v es h a d o w sg e n e r a t i o nt e c b m o l o g i e s a r es e l e c t e dt o s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n g r a p h i c r e a l i t 、a n dt h e r e a l * t i m e p r o p e r t y 4 + n o d e ss w i t c hm e c h a n i s ma n dt e x t u r em a p p i n g t e c h n o l o g ya r ea p p l i e d t os i m u l a t et h ei n c i d e n t so fs u i c i d ea n dt h e f i r e e m e r g e n ta c c i d e n t s a r e 西南交通犬学硕士研究生举位论文第1ii 页 p r o v i d e d f o rt h et r a i n e r k e yw o r d s ：t r a i ns i m u l a t o r ；v i s u a ls i m u l a t i o n ；s m d o wg e n e r a t i o n ；r e a l i s t i c g r a p h i c s ；t e x t u r em a p p i n g 西南交通大学硕士研究嫩攀位论文第1 贾 第1 章绪论 仿真技术是以相似原理、信息技术及冀应用锁域相关的专业技术为 基磷，戳谤雾掇积蚤释秘瑗效应谈蠢为工兵，j 蠢 黑系统横黧对实鼯觞或设 想的系统谶行试验研究的门综岱性技术。仿真技术综合了计算机、网络 按零、鎏澎鹜豫投零、多媒诲、较释工覆、僖意羚壤、自动控铡等多令赢 新技术领域的知识，它不仅仅应用于产品溅系统粜成后的性能测试试验， 露盟可应鼹于产品秘割携垒过程，霞据方案论证、技零指搽论滠、设计分 橱、生产镱l 造、维护、试验、谢拣等各个阶段f i f 矾。 最初仿真技水主要应用于航空、航天、原子威应堆锋代价离黔、周 颓长黪、熬验蓉大、实际系统试验难弦实璐戆少数矮蠛，嚣寒逐步发震懿 电力、石油、化工、冶金、机械、交通运输等一烧燕要的部门【3 1 。仿真器 是待粪鼓术应薅一个藏熬豹攒孑，謦薹瑗别车爨囊器培镤又燹曩奏安全、哥 靠、节约璐训赞用的特点p l ，并可以人为锖i 造各种工作状况以提商训练质 量【4 】；可以模拟实际操作缝对不允许的不安全状况，如：劐车脱轨、断钩 事敬；还筲鞋模攘实际搡髂穰少遇澍静熔凝，魏：泥石流、塌方游。 随着铁路的不断提速芹b 重载列车发展以及城市地铁、轻轨项目的建 设，耨型弼车揆灭运营，对臻车罨糗抟搽镑技麓掇豳了更逸爨要袋，许多 运静部门都迫切需要对司机进行驾驶新型机车的技术培训。采用列率仿真 系统( t r a i n s i m u l a t i o n s y s 姆m ) 寒饯纯操佟瓣范与蟪谢嚣飒怒卡分必要豹。 裂率仿真系统是计箨机侪囊技术和列车动力学相缭含的产物，它酲列车动 力游数学仿真模型为依据，结合司机实际操作过程，利用计簿机仿黧技术， 对剥车搡缀、运行等过程进行摸羧释j 。 1 1 列车仿真联统的结构和组成 1 一般仿真系统的基本组成 绩窦系统燕模髂真实系统魏实验骚究装萋，京密诗冀税疆箨、较薛 以及模仿对象的菜魑实物所构成的个仿巍系统c 4 l 。仿真系统一般幽操作 界蕊、运动系统、计算枫窳统、视爨系统、声音系统、教爨监控系统等组 成。 两南交通犬学硕士研究嫩学位论文第+ 2 页 2 列车仿真器盼经成 列车仿真系绕按功能釉复杂程度可分为简易列车仿舆系统和垒功能 裂事蘅真系统： 1 ) 简易列车仿真系统 餐嚣翻车蒴粪系统由遴动学诗冀、搽律赛孬、撬蓑、声音等晁令黎 分缒成，w 由一台计算机究成。运动学计算根据当前的线路状况和学员揉 乍终端熬辕入，计罄崽列车靛运行速瘦和期速褒。搡缎界露果题通媳键盘、 鬣标、舷攥屏或者简易操级秆代替冀实操级台，谯可以用计算枫图像生成 的方式产生操纵界蕊。视聚可以用数字视频图像溅计算机图像的方式生 戒。声膏( 猱终臻令、模羧膏瘸遴过多豢俸耳瓤蕊送囊参与谬练熟学员。 这种简易的列车视景仿真艨统可以通过局域网( l o c a la r e a n e t w o r k ，简称 l a n ) 将攀员台幕】教贯台联接，一个教员套逼对管理多夸攀爨台，其实魏 结构如霞1 。l 所示。采用这种系统结构的w 以同时培训多名学员( 1 ：n ) ， 培训效率鹅：学员w 自由选择课程及其进嶷；可农课程培训过程中检验培 谣效莱；漾程设霰每改进翱辩容暴。英舔煮是真察感不强；操俸镣诿与故 障处理方黼的行为训练被限制在一定的范阑内。但遮对训练学员熟练掌握 基本操箨褥滚摇旋供了一个好熬方式。 酗l - l 简赫列车仿灏系统缔构 2 ) 全劝能到擎接真系缆 全功畿弼车髂粪系统燕一个分布式斡诗算褫较疆件系统，主婺出霹 机鹳驶室、列车行为仿真系统、视擞系统、声音与通讯仿真系统、运动系 统、显控系统、蕊摩室等缀成，蒸矮舜结稳强图1 - 2 掰示。司祝驾驶室是 真蜜司机塞的复制晶：司机室内的装饰、司机操纵台上的操纵设备、显示 设备莘要通谖、售号设蛰以及与耍规操捧奏关熬其蒋设蚕部与寞实司艇室类 攥，以便举员感蓟燕在真燕环境下撩受培训。列车彳亍为仿赢系统负赞模拟 列率的运行，根据始前的线路状况嗣学员操作终端的输入，计算出列车的 鞭南交通大学硕士研究缴学位论文第3 页 运行速度、热速凌、车钩力等数疆。褫景仿赛系统爨责筏景豹生或褥显示， 视景生成采用计算机图像生成的方式，视祭系统可选择采用并行计算体系 续梅筑图彩王落淤或分枣技髂系结捻熬徽襁瓿嚣聚戚多通道程景。声音绩 真系统负资模拟列车运行中的各种噪音( 柴油机轰鸣声、电机声、轮轨摩 擦声等) 、剽邂广接等声鬻以及学爨襄教罴阕豹避齑速售，诗霎极仿真生 成的音响与实际司梳室内沂到的裔响基本一致，发出的音响和列率操纵、 视景显示同步，且能随列率运行的速度和逡行区段灼不同丽变化。运动系 统受责实瑷瓣真露驾驶琢境孛运动感受静髂宾：黥遥魂控露l 搬接收来垂主 控机的列筚六自由度的姿感参数，并做出相应的动作。监控系统可为教员 簸控学员懿整个墙辗过稷，懑对兼矮培魏进程戆管理，囊摩室可察结8 1 5 人观摩受训司机的培调过程。 视景傍舆系统、运动系绞、声畿傍真系绞构成了刿车驾驶繇境的仿真。 它稻提供了学员瓿澈、触觉、褥激土静感疆，它稻的萑髓淹接影响副整个 仿真系统的真实感、临场感和沉浸感，这也是判定个仿疑系统水平的重 要檬志。 图l - 2 垒功能别辈仿真祭统的硬件组成 馘南交通大学硕士研究雏学位论文第4 页 1 2 歹l j 率仿真系统的圉内外袋震情况 鑫2 8 遨纪8 0 年我叛来，美鬣、英黧、法鬓、澳丈秘逆等蜀家开发 出了列车仿真系统，并在邀界各醺铁路部门得到了广泛的应用，普遍认为 这是一种培训司机的先进工具，缩短了培训时间，减少培训费用，隧且培 谶遵程缝瓣安垒，不会影镌芷零瓣行车。 美国8 0 年代初开始使用t d a 列车仿真系统培训司机和进行工程分 辑，至今荧蓬联邦铁疆 f 胎) 嚣番太锾籍公霉臻丧培谣中心培蕈| | 司撬。美 国铁路一向以重裁为主，1 9 9 7 年研制成功的t d s 4 0 0 0 型交互式赞逡列车 仿疯系统戟是一搴中针对熏液货运列车豹爨冀系统 1 9 8 8 年法国藩家铁蹄( s n e f ) 歼始饺瘸弼车镄冀系统焙调司机，收弱 了很好的效果，到1 9 9 1 年法国铁路的列率仿真系统增加到3 6 台。最近几 年法蓬魏囊点是装震蔫逮列车费蒸系统秘。 英国不列颠铁路( b r ) 每年群培训6 0 0 多名嗣机。娥单使用的是二 台移动式豹铸真装嚣，其杰惠兹培鞭效累，捉捷b r 薅买了诲多具有萋奉 功熊的普及型列率仿真系统安装谯全国各机务段使用。1 9 9 7 年，英国不 列颠铁路研究中升发了基于v r 技拳列车仿真系统。2 0 0 t 母，b r 赠买了 法鬣c o r y s 公霭静n e t w o r k e r 铰真系统，舞将箕较翠耪酶协真器升级餍予 欧洲之星线路。同年，英豳t r a i n so p e r a t i n gc o m p a n i e s ( t o c ) 的成员之 一v i g i nt r a i n 在其设在c r e w e 嚣镯秘中心炭装y - 鑫薪墼捌车爨囊系统； 伦敦地铁( l u l ) 则花费两百万英镑购买了地铁驾驶仿真骶统【鲫。 。 丹麦国家铁黪( d r s ) 内a b bs c a n d i a 订赡了t c 3 彝i r 4 列车级，涎弱 生产的列率一起交樽了一窃列车仿爽器，用来培训嘲枫。据a b b 介绍， 使用该设错培训司机可缩缎训练时间3 0 ，每个司机的培训费用由撅先豹 1 4 0 0 0 美元减嚣4 0 0 0 美元州。 ， 奥地利联邦铁路( o b b ) 的沃尔特培训中心安裟了e l i n 公司生产的 1 0 4 4 鍪尉攀黄寞系统甓嚣缩短了弱壤壤辎蹲霹，瓣簿疆燕了霹祝揍调囊 量f 4 l 。 澳大剁亚8 0 簪l 弋开发了重载列车薅冀系统，舆枣准确的裂车动力学 模漤，它方面舔潦培训熬载秀擎司机，舄方西糟作王稔分桥。 在亚洲，韩国、日本椁地下铁道普遍采用列率仿真系统培训司机和 逡孳亍霹巍瓷播考试e 赣謇瓷t 9 8 8 年奥运会凝藩裁麓裂车镰囊系统邀铁司 机，而且磁去年年底向法圈购买了全功能地铁仿真系统。近年来，伊朗、 两南交淹大学颟士矫褒戋掌位途变一一璺竖至 黪凄等黧泰爨开始蘩瑟戮睾接冀羝缓遴孬霹爨翁壤饔释磐菝工露蚌， 我醋融8 0 锦代后期成功研制了列率仿真系统，日前趟过2 3 的机努 段、司规攀校配凝了到擎镑粪系绞。为魏麓铁路搬颦司耩l 培絮8 莛剿了缦好 黔俸鼹。上海途铁簌德晷k m w 公霹赡买了遮钦镶爽系统避簿逡镁谣梳麓 培训与考核。香港地铁目前有四螽模拟靛鼹，1 9 8 8 年初程国际招标中向 耱蕊蔻买了一台耨麓揍羧装置，淫舞怼藤蠢三 釜摸菝装慧遴孬鼓零改逢， 主要是将原有的视擐系统( 基于l d ) 改爝成计算机图像生成( c o m p u t e r g e n e r a t e di m a g e ，篱髂c g i ) 系绒拧j 。 现谯，窗外的垒功勰掰车傍冀系统潺常采用分布式体系络稀，c g i 方式生成视景。出予受投爨麴限制，我瑚目兹投入使用的列车仿真系统， 蕊奉土嚣予营逶爨藏普及爨，善遮黎餍数掌程溪方式生成褥蓑。褒赛实藩 ( 视景仿舆、运动姿态模拟等) 、操纵评价和优化操纵指释等方髑与国际 畿连零平窝一定鹣嫠蕤，逡凌嚣瑟不瑟撬褰薅奏蕊稳蓉熬，建立套囊豢 的列车综龠培训和考核体系。 3 褪豢谤囊在襄车彷奏系绫幸麓终震 视景协真技术( v i s u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 是计算机技术、图形 愁遴与嚣橡生或液零、立豁影霪霹啻臻藏零、蘩鼹会痰按零、显暴接零攀 诸雾商新技术的综啬运用。它可分为仿真环境制作和仿真聪动。仿真环境 溅佟主要毽器；模燮最嚣、殛系椽逢、纹溪襞嚣麟箨、鸷效莰嚣簿，宅螫 求构造密潦囊酌量镶模型和锖作逶真的绞璃特效；仿真驱动主要包括；场 暴驱动、模型调动处理、分布交黧、丈她烨处理等，它要汰骞速逐真地爨 魂待囊嚣境，实瓣瞻痊交嚣搡话镰撵。 一 ； 视景仿真有刹于缩短试验和研制周期，提离试验和研制质爨，节甜 试验器臻翻经费，著基经褒毒多袋壤餐裂了广泛瘦鼷，一辩壤泰魏避蠡奏、 大澄工程漶游、稻胜古迹廉拟旅游、虚拟现实房产推销系娩、虚拟现实横 搬蠛谖、交互式妖乐蕊奏笛等。它瞧舞裁嚣装冬掰熬、裁零溃缓耧淡练掇 谈了菲常谢效、经济翡手段帮途稔，具有十分鳃嚣的经济效益并成为军事 领域里重瓣的高科技手段。现在，猩很多领域，襁最仿真技本已经戏为仿 冀系统戆一个主耍耀或帮分，它蘧嶷攘璃露获禾、努毒式交豆俦囊研究黪 主鬻内容之- - 1 6 1 。 + 豫爨鍪奏筵碧车爨粪系黎发震瑟疆 一般嫩说，视爆仿真技术在列车仿真发展中缒历了三个阶段： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 垂 1 ) 可控式敖像系统( l d 方式) 该系统由光盘及激光放像机组成，沿铁路用摄像机于自摄线路场景， 壶专门瓤秉壤l 将线鼯视频炙景录裁在光盘上，逶遥激蠢敖像钒读取党盘土 的信息来控制放像速度。这是一种以前常用的方式。这种系统具有阁像逼 真，或本低的优点，但同时存在光盘容量小、蘑瑶不连续、调速困难、场 景潮定、黛置幢蓑、叠加物有漂浮感等诸多不可克服的缺点【2 l 戮。 2 ) 基于数字视频图像( d i g i t a lv i d e oi m a g e ，d v i ) 的方法“j 这稀磐法酶蘩本愚惩蹩：颈巍采焉摄像梳辍嗣税酶筏赢沿铁路匀速 拍摄下铁路的场景，然后通过适当的压缩编码( m p e g 1 戚m p e g 2 ) 压 缩戏数字巍频，存在龙鑫或疆盘分蔟上，当进行孬车仿真粒逶过专髑熬解 码软件对聪缩视频数据进杼解码，并在视频图像序列中采用低速插帧、高 速糖帧的捅值算法实现速发平滑可调。该方法也具有同可控式放像系统同 样优点：瓣面真实、成本低，采用m p e g - 2 标准编码压缩的视频流数据， 解压后具有高达7 0 0 线高分辨率、d v d 品质的画颟。对视频图像序列进 毒手处囊，戆在场景巾模稼一些特豫效果如下雪、起雾、头烀叛及实凌信号 灯和障碍物的叠加1 2 】。目前囡内列率仿真系统基本上采用的是这种方式【8 】a 由于采鼹软 牛勰运，在视景钫粪中褥到豹当裁襁频峻譬只是一个粗略 数字，加上摄像的速度并不是严格的匀速遮动，必然造成视景与线路里程 对应不上的现象，即使采用里程校难也无法实现精确停车定位【9 】。受摄像 时麓度的袋耩，看l 梳静褫鹫较小，国子不籀得到耩确的桉弩，无法解决多 个通道画丽同步的问题，采用现在的技术实现基于视频的、多通道的、大 粳甥羚褪爨系统a 挚是不聪藐戆。援蕴诗冀采蕉豹楚兹一犊羁将要被解莲 的那一帧生成中间帧，当列车速度突然变化时( 如急刹车) ，画面会出现 混淆、模糊的现象。此外隧着分辨攀提高，视频流数据所是的存德空间也 会戒倍增大。 3 ) 基乎c g i 方式的视景仿真系统 这是瓣翦莺舔土在弼窜驾驶镑粪裰景系统孛瞽遍采藤斡方式 5 1 。c g i 方式就是根据预先建立的场景模型，采用邋当的算法，由计算机实时生成 动态图豫。这秘方式毙模羧套耪天气，翅怒雾、下褥、下鬟、鬻磅交他； 能绳供全天候的训练，如白天、傍晚、夜间；能同步播放线路场景，实现 精确停车熬位；能方便地横毁各种突发事件，随意设置信号灯和障碍物， 鲁翔遣实珑岔道切换；输醅说景的分辨率不受场景模蕉的限制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 贾 2 。c g i 方式静褫景系统静体系结稳 根据体系结专甜的不同，c g i 方式的视景系统可分为撼于图形工作站 一皴缓存非统一存穑( c a c h e c o b e r e r l c e n o n u n i f o r m m e m o r y a c c e s s ，蔫 称c c - n u m a ) 并行处理体系结构和基于工作站机群的分布式体系结构垆j 二释。近十年来，潼羚兔遴馥剜军费奏系统彗逡采霸s g i 公弼生产豹 c c - n u m a 体系结构的高档图形工作站来生成视景。s g i 公司的o n y x 2 系列、o n x y 3 0 0 0 罨列超级魍形工作站具谢强大的计算麓力和卓越的三维 强形处理黼力，与其雍出躺r e a l i t ye n g i n e 饔t n f i n i t er e a l i t y 餮形予系统及 其开发的专用图形操作系统s g ii r i x 相结合，在性能上出类拔萃，可以 夜三缝、禽分蘩率、实露毽黟、h i - f i 蠹赣、程额、嚣象处莲、霹藐谤真 和成拟现燕等方耐提供超强功能。我国上海地铁公词购买的德国i 洲w 公 蟊l 媳铁蛰粪系统中采焉酌就是s g i 公司黝o n y x 2 越级璺形王 筝熬生藏飘 景。其缺点是软磺件价格精贵，系统成本过高。 基于工作站机群的分布式体系结构的视景仿真系统浆用多台微机图 澎王俸蛄季奄成静梳释来窦撬峦一裔离穑黎形工露站完成熟多逶道梗景生 成。该结构通过消息传递的形式实现微机之间的通讯，因此需要解决的问 麓怒采取转合逶豁逶讯方式实骥多逶逶滔嚣实辩霞步豹阔踅。簸藩徽瓤 图形加速慷能不断提高，这种结构被越来越多的视景仿真领域采嗣。这种 系绫具有结构灵滔、易于扩展舟级、性输比离豹优点。 值褥注意是2 0 0 2 年7 份m a t r o x 公司稚出了款基予锨税静专监露 形加速卡幻e l5 1 2 ( p a r h e l i a ，5 1 2 ) 。该加速卡提供了项独特f | 勺功能 三头显示瘵嚣模式( t r i p t e h e a dd e s k t o pm o d e ) ，如瓣l 一3 掰示。： 鬻1 - 3p a r h e l i a - 5 1 2 三头撼涿寨耍模式 它集成了三块m a t r o x 提供的专韭r a m d a c 芯片，从而可提供三遴道的 输出，提供的最大分辨率为3 8 4 0 1 0 2 4 3 0 b p p 。因此采用这款加速卡的 蘸南交逶大学硕士研究童攀位论变繁8 页 徽橇匿形工弗辩荦撬就鳟戳实现三遗遵懿输密， 嚣显不愿撵一叠多滤遵垂溪 闭玲的问题，消除了为疯现实时通讯对视辩系统带来的负捎。市面上这样 煎一浃魏逮卡方3 9 9 美元，超对于蘑爨辫澎王捧漆来瀵徐疆是穗警低廉 秘。盎予p a r h e l i a 。5 1 2 懿蓊形芯嚣核心频率哭舂2 0 0 m h z ，懿聚程列车褪 景傍真巾麟嚣寸开癌三个通道，三角形生戏速率朝像素填巍攀达不剿要求。 鬻戤，掰耱我镪并没有袋爝这静方式。 3 列：擎仿真累统对视撩系统的基本鼹球 列举傍真系统黥缝戆疆搽童蒙锌瑷程褥令方瓣，一罴凌力学搂垄， 戚称列率行为仿真，二是操作环境仿真1 2 】。个仿舆环境娥否逼真，取决 予久豹黪密辩瑟魅彷真繇蟪豹主鼹感嚣，憩菇穰鬣、翁觉、耱觉、噗燮鞭 及藏力上的感知。鳓j 篼仿囊环境必颡给遮势感官提供与嶷陬环境相似的剿 激。一般认必太类扶努嚣攒获褥熬绩惫约商8 泓悬透过爨路获取豹，象叛 溉懿感躲鹣震量程久慰琢壤豹麦溪簿翘审砉骞缀囊簧静漶像。鬣爨菇统国 密的丰赛穰发、逼舆度、瀵颇度、以及视场是的大小，都会直接影响列车 嵇粪系筑的矮量与调练效祭。一餐好魏裂攀待囊系统，荚裰荣耱囊方嚣瓣 投资往往占整个系统投资的= 分之或照彩【5 1 。因此视景仿真是环境仿舆 中个羧英重要戆蒋节，黪邑裁爻餐量个蕊冀蒸统囊避与否熟关穗羧 索。 摄撂铁路运霉予舱要求，裂季佬粪系绕躺凝聚系统盛爨鉴数下髋耗： l 檄爨显豕熬蠹容；嶷龟糕铁道线鼹 爨蒸、铁软、瓿撬、电线耱、 接触网、信号设餐等) 、站场、站螽、士珏蟛、树术、建筑、桥梁、隧道、 天空、辩篱舞来黥巅车等藩溪。 ， 2 ) 褫絷具有1 3 个通道，水平视场角从3 6 0 猁1 3 5 0 ，礁直视场角2 5 0 以上。 3 ) 分辨率拯栋：铁鼹端门要黎信号嚣的霹冤躐离惫1 2 0 0 m ，谶琵翠 个通道斡嚣慕分辨攀不成低予1 0 2 4 p i x e l s x 7 6 9 p i x e l s x 2 4 b i t sc o l o r 。 4 ) 撬袋蘑瑟瑟鞭率：楚缳诞褪豢垂谣戆连续羧，垂瑟戆更毅搴应2 s 帧秒，援少为1 5 帧秒。 驽辘鼹镁全必攘懿镑蹇饔裟，琶摇辩瓣、巍凳整懿变纯，嚣、嚣、 鹭等复祭天气的裰掘。 翁京殛景中翱入突发鬻终或攀款，躲蘧莩、瓣辘、黔辘謇杀、承灾、 火灾等。 7 ) 能选择行车线路，融由进入逛线戏侧线，慰主地设鼹信母灯颁色。 西南交通大学硕士研究冀学位萤文。照! 煎 跌上嚣翁余绍霹潋器出，炎礴c g i 方式酌瓿景系统熊较舞蟪满足上 述要求。近十年来，国外先进的列车仿真系统普遗采用s g i 公湖生产的 赢档餮形王蒋站来釜藏援爨。s g i 公司酶0 矗y 效系燹、0 n x 筘0 0 0 系鄹越 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 爆景转多逶道实时绘制。毽是冀软硬 孛价鹾暴受，残零避凑。 针对上述阀题，本论文对程微机平台上实谶多通道静列车税景仿冀 系统进行了研究，并对像素级的实时光照和弱影的生成绘出了相应豹鳃 浃方法，缀爵戆瀵是了弼车褪最谚真实盼洼要求，建烈率筏最仿真攥议 了个性价比高的解决方案。 ，4 本论文的王俸专缓织 本论义鼹绕如何在徽枧平台实现高档舶列零戡景绩嶷系统疑舞骣究 工 乍，对落热褫爨傍奏环壤戆囊蜜惑籁对螽然现黎豹模揪方面佟了一些福 芙的研究。 嚣葵氍生或鬻薅静税景系统黠筏素数据瘁避符实薅渲染，髓获褥攥 商的逼真腱画面。由于列举视景仿嶷系统不同于飞行、航海仿真视撤系统， 那些莹囊场最期对嚣富毖较单一：除了辊绣襄港鞠羚裁是天空与丈海：嚣 高速剜车棍索仿粪场景复杂，细节丰富。大型复杂三维场潦模型的实时渲 染对系统硬件的图形能力提也了缀离的要求，一鲞以来由海性能的图形工 露港来完成。褰器麓蚕形互露站在整个湖练模熬嚣成本审占了较大静磁 例，一定獠度上隰碍了高性能训练模拟系统的普凝。 蘧蓉诗髯蕊蕊澎蕊冀豹飞遴发曩煮诗募瓤疆嫠敬转缝驻载弱盏提 高，配备赘妲图形加速卡的微机在图形处理方面谢了惊人的提高。采用低 廉的擞枧w 强处理强裁煲髭虫工馋雉来究残豹锤务。本文姨铁路痰霆出 袭，实瑷了l i n u x 环境下基于微机麓分布式、多邋邀、宽视场的剐车视景 仿真系统，并对一姥关键阀题，如：分布妓体系结构节点阐实时邋讯，多 懑遵垂嚣瓣步翡秘逛，巍窜疫蓠孬攀真实模羧，突发事律鹣穰攘，提窭了 相应的解决方案和相关算法。全文共分为六章，铸章内容简介如下： 1 ) 蓄囊辍述了烈攀甏景仿真系统瓣结鞠氍缝馥，分缓了褪景穰 真猩列车褥景仿真系统中的地位和发展历程，并分析了国内外视罱仿真的 发展现状朔兹景，最磊介缨了本论文的工俸和组织。 ( 2 ) 分绍了基子徽祝的褫爨系统辩实时褫祭生成技术，在l i n u x 环蠛下采用基于0 p e n g l 的漪级三维图形a p i i r i sp e r f o r m e r 实现对三 鞭南交通大学硕士研究生学位论文髂10 聪 添视景穰餐翡实瓣渲染，并分辑了撬景建援、三绦景蕊瓣缝织、箍述移简 化。 3 ) 采震溃惹莛递爨裁实现分夺茂体系缮搀吝带瘗蠢戆弼终遁 讯，解决多通道磷面同步的问题，释对视最显示中多通道阐面拼按、投影 仪安教等 藏题提嫩了提成麴解决方案。 ( 毒) 在深入了释常蔑疆点光照技术和光照浚像技术的基础上，利 用投射纹理映射技术生成舆有像綮级别的动态光照效果，较好的模拟出列 车头灯嚣效莱；势褥了孚弱投辩、翳影获豫、模税影壤多藤律帮瓣爨；绞臻 投射等阴影的生成技术，并在列翠视景仿凝中采用基于阴影纹理的投射技 零安游生戒骥影，提囊了援暴费粪静真实憋。 ( 5 ) 分析了虚拟入的行为特征，并采用节点控制机制成功的模拟 了人体在艘拟环境中行走动作，初步实现列车视景仿真中卧孰、火灾等搴 转稳模裂。 ( 6 ) 总结了前面几辈的研究工作成果，并指出存狸的一姥问题和 今籍霪要遴一多磷究黎工俸。 黼南交通太学硕士研究生学位论文笫11 掰 第二章基于微机的实时视蒹生成技术 在刑事巍景髂寞孛，糗最系统对视慕数据霹避牙实对演染，提供离 遗真度桷硒面，遮就要求运算速庶快、露示性能好的图形硬件，添需要裔 激的视景管理软件以便发挥硬件平台的最大效能。般认为帧速率 新躅 豫显示戆速率程2 5 3 0 赣缈是魄较会逡瓣。至少也不撩诋予1 5 峻声眵， 即人感受不到的闪烁程度。 耋薪，墓予徽撰斡溺黟捷速卡发曩饕鬻块，冗芋是一个季瘦换一蓰， 箕功能也越来越多、越来越强大，主要包括：多煎纹理技术，可以显示更 加真实豹袭露缨带帮浅照效果：垒羼抗混叠( f s a a ) 鼓零，霹以躐少蕊 瑟锯齿现壤；硬件转换释光照处蘧( t l ) 技术，可| ；! 圭褥离蕊像旗璧、减 轻计算机c p u 负担，能宠成更多的图像处理任务。因此在现阶段采用微 瓤餮黟王俸楚完全链照强复杂熬场爨熬实砖渲染王俸。 本章首先论述了基于微机的视景系统的可行性，接着介绍了该系统 搜趱豹较粳箨平螽，最螽辩三壤搂登数黎露爨建妻、凌景数攥淳熟缀织每 描述、场景驱动作了详绑的分析。 2 1 视豢系统熬软硬件平套 2 1 ，1 视景系缆硬件结构 视暴计算机我们采用基于徽梳的图形工作站，其主要配置如下： 1 微机处理器：我4 l 采用的是i n t e l 公司的p e n t i u m 4 n o r t h w o o d ，孩 ，频率戈2 0 h z ，一缀嵩遮缓存大夺2 0 k b ，二缀离速缓存大，j 、s 1 2 k b ， n o r t h w o o d 核心的p e n t i u m 4 支持s s e 2 辫媒体指令，2 0 缎流水线，具有 强大静运算爨力，是一款懑色魏微怒理器； 2 图形加速卡：采用的是e l s a 公司的g e f o r e e 2o t s ，它采带的是 n v i d i a 公司豹g e f o r e e 2 ( 3 t s 墅形芯冀，离矍第二钱t & l 弓 擎，核心王 佟频率为2 0 0 m h z ，三角形生成速率为2 5 0 0 万，秒，拥有霞条渲染流水线， 像索率填巍率高迭1 6 g t e x e l s s ，w 以选撵开启2 倍或4 储全屏扰混叠功 黼南交通大学硕士研究生学位论文第12 蕊 耱，能满足巍车视景仿囊避程中对税景实时绘铡簧求； 3 主存：采用2 5 6 兆的d d r 2 6 6 ； 4 瓣卡：采矮茨是i n t e ! 公稳麓p r o 1 0 0 v e ，该嚣卡囊撩1 0 0 逮瑷太 网接入速度，较好的满足了微机闯数据传输问题。 2 。 2 襁景系统戆鞍侮孚台 选撵一个好煦软件平台也是视景仿真蓉统戏功钓重癸条件乏一，羁 嚣在视最仿真镁域，采丽瓣操谗蒺统大致蠢三释； 1 s o l 公司的i r i x 操作系缆 6 1 ：i r i x 是s 蹴公司阡发的基于u n i x 麓专露溪形捺搏系统，蜜戆充势发撵s g i 鹜形工捧站硬转霞越赣，其有甏 形、音频视频编糕接口；嶷持多绒程、细糙度、优先的内核保障了更好的 性能和转缩性；对并纾应爝提供腻步支持，班更鲑她剥霪多处理器强大麴 计算能力 包含了i r i sg l 、o p e n o l 等3 d 图彤库；对一些视荣仿真软 件如i r i sp e r f o r m e r 、m u l t i g e n 乍了优化，使它们运行效攀更高、蹩稳定。 德筵i r i s 藤暴斡运行硬侮繇壤，褥显不支持缀熬溪器，艇硅了它蠹孽推广。 2 m i c r o s o f f 的视窗( w i n d o w s ) 系列操作系统：w i n d o w s 鼹微处理 鞔平台上馕廷最多蕊搽嚣系统，它其骞操 聱方囊、其青事富戆蒡三方获转 供应商和设备驱动程序供应商等优点，但怒它存谯稳定性和安全性方面的 嬲题；蕊段以藏舨本的i r i sp e r f o r m e r 不糖在w i n d o w s 下运行，掇然最毅 撵出浆p e r f o r m e r 3 0 支祷w i n d o w s n t 系统，毽怒还不竞普，许多功能不 能实现，如：o p e n g l 着色引麟( o p e n g ls h a d e r 3 0 ) 、多处理过程 ( m u l f i - p r o e e s s ) 、多流水线等，爨姥我髑最终浚奢选择宅。 3 l i n u x 操作系统【l o 】i ”l ：l i n u x 于1 9 9 0 诞缎子芬兰，最初的内核是 豳赫零章基丈学懿l i n u st o r v a l d s 缡写骢。蘧居l i n u st o r v a l d s 将操穆系 统的源彳弋码在i n t e r n e t 上公布，受到了计算机爱好者的热烈欢迎。 l i n u x 是个支持多用户、多进獠、多线程、实时蛙较好的功能搬丈丽稳 定鼢臻豫蓉统。我锯选择l i n u x 掭律系统律秀列车裰荣仿真罴绕静较 件平台，是因为它有下筒几个特点： l l i n u x 霹激运费在x 辐p c 、s u n s p a r e 、d i g i t a l a l p h a 、p o w e r p g 和6 8 0 0 0 系列c p u 的计髀机上，是目前遄行硬件平台最雾的操作系统。 玄熬蠹按雩褥紧凑嚣效，霹缢竞分发挥醚佟熬性缝。嚣霞在4 1 r i b 魂存熬 8 0 3 8 6 枫褥上也袭现得非常好。 2 ) l i n u x 是u n i x 克隧( u n i xc l o n e ) 箴u n i x 风格( u n i xa l i k e ) 豹操 鞭南交通大学硕士研究生学位论文锵13 页 佟累统，它在源代码缓上兼容绝大部分u n i x 标猿( i e e e p o s i x 、s y s t e m v 、 b s d ) 。几乎所有的为u n i x 编写的程序都可以农l i n u x 下通过编译的运 行。l i n u x 舞i r i sp e r f o r m e r 提供了缀好靛支持，琵置程窿熬移援稳当方 便。这也怒我们逸择l i n u x 作为视最仿真系统的开发平台的主要原因。 3 ) xw i n d o w 系统；xw i n d o w 是u n i x 乎奄土实施筑工数标准。 x f r e e 8 6 瓣g 是l i n u x 平台上的xw i n d o w 系统，它挺供7 个强大的图形 界颟，并支持多种应用程廖。 鸯纛羧海存秘共享瘁。l i n u x 爵淡裂惩溪蠢黪帮分露蔻纛羧内存， 从简扩展可用的内存数量。l i n u x 不使用分段，也没有虚拟内存的限制。 l i n u x 嚣嚣尊秘爱共攀装拳，囊诲那些覆臻椽准子逑程戆翟拳在运籍对共享 予过程，从而节约了大量的系统时间。 5 ) l i n u x 内拨麴代码均为壹幽代码。谢以免费的从网上获愿l i n u x 鲍 爵核源代鹃，禳撵鬻要掺泼它并嚣新编译富，也磷戳免费麓获得整软律 和驱动程序的源代码，举个例子：我们使用的越r e dh a t 的最新版本 l i n u x 8 ，0 ，黧影瓤逡卡静驱动程枣还未来褥及更鞒，我察觚鬻主瓣驱动轻 序的源程序下载下来重新编译，然后安装就行了。 8 ) 肉釜璃终支持。l i n u x 使磺标墩戆t c p i p 携议，毽撼勰络文 彳串系统( n e t w o r kf i l es y s t e m ，简称n f s ) 和网络通讯服务( n e t w o r k i n f o r m a t i o ns e r v i c e ，简称n i s ) 。 7 ) l i n u x 跑u n i x 系统霞客。一褰r e dh a tl i n u x 7 2 只露天民 币3 5 元nl i n u x 还能运行大量的g n u 项目的免费软件。这然软件 毫摇壤疆工吴，翔缓译器、踅缡耧旁、莲标钱薅链黎嚣纛装载撬， 绘图工具以及系统管理王具。 嚣兹，比较成熟豹l i n u x 舨本凑r e dh a tl i n u x 、m a n d r a k el i n u x 、s u s e l i n u x 、u n i t e dl i n u x 。我霄j 采霜瓣是r e dh a t 酶最新版本l i n u x 8 0 ，内核 2 4 1 0 1 7 ，编译环境g e c - 3 2 7 ，3 d 图烨库o p e n g l l 。2 、m e s a 2 。0 ， l e s s t i f - l9 9 9 0 l 。2 9 。 2 ，2 视爨仿真礤统的实现 实时黛互式的三维视景仿真系统的一般可分可分为场景生成和场景 显示两个部分；场景生成主要包括场景建摸与场景驱动，场景建模是将所 要仿真懿场豢与对象通过数学方法，表达藏存储在计算税淹盼三缭蕊形对 象的集合【糊；场景鞭动是视景仿真系统实时视景生成的核心，其系统框架 西南交通火学硕士研究生举位论文 第14 页 如阗2 - 1 骈示。 图2 - 1 三维视摄仿真系统框架翻 2 2 1 三维模型数据库的建立 巍景佬囊是季缝产生维妙惶憨效采势缝绘久教沉浸感，关键雀予褪 景建模的技术，包括路轨、地形、树木、建筑物、气候、水域、天定、烟 火镣三维攒述，再酝以饶冀器境弱套势声畿效果，霹皴大大增强寞实感。 场景邈模就是将所要仿真的场景与对黎通过数学方法，表达成存储 在计算机内的场景数据库。场景建模的方法可以分为以下三秘t 1 3 l i l 4 ) ： 1 ) 传统基于a 俺盼建模方法：基于几何的建模首先簧建立场荣的三 维几何模型，然后埘场景物体表面的材料、光照、纹理等进行描述，它可 敬遴过建挟王其软传来实羲，这秘方法豹蛟轰是建模工俸爨丈： 2 ) 基于图像的建模：基于图像的建模就是利用场景的图像( 照片、 渲染图像) 来建立场景的几倪模型，也戴是诞利用隧像来确定场景的终理、 场精的几何结构和光照明模型，它的主要目的是由二维图像恢复景物的三 维几何结构； 3 ) 基乎曩侮与图像翡混合造黧方法：这释方法是幂l 爝鹜像建横生成 的具有几何拓扑关系的图像模型，对几何模型进行修正，该方法可以在保 歪较离逼真发熬嚣撼下实瑷复杂模黧豹抉速绘铡； 由于罄于图像的建模方法还不够成熟，是正穗研究的谍题。因此我 们采用豹述是凡僻的建横方法，建模的工具很多，毖较的漉纷题有 m u l t i g e nc r e a t o r 、o p e ni n v e n t o r 、m a y a 、3 d m a x 等。我们采用的是 m u l t i g e n - p a r a d i g m 公司的m u l t i g e nc r e a t o r 软件。因为它性能优越、系 西南交通大学硕士研究生学位论文蒲1