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交通事故再现实验仿真平台研究与开发 计算机应用技术专业 研究生：李萍指导教师严余松 随着国民经济的发展，国民生产总值的增加，汽车工业和道路交通运输事 业得到了高速的发展。随着人们的生活水平不断提高，中国私人机动车保有量 也在不断增长，这些方面都给我国的公路、铁路交通运输施加了更大的压力。 虽然近两年来我国发生道路交通事故的数量有所减少，但是数目还是巨大的， 超过了十万起。汽车交通事故也是世界范围内的一大公害，从统计数据来看， 每年因为道路交通事故死亡的人数也在不断的增加。到现在为止，交通事故中 伤亡的人数已经超过了在战争中伤亡的人数。道路交通事故已经成为了一个全 球化极为严重的社会问题。国内外对交通事故的计算机仿真做了大量的研究工 作，包括车辆的碰撞模型和动力学模型的建立、分析与优化，碰撞检测的研究 与优化，仿真后智能的交通事故的责任判定等。交通事故碰撞的类型是多样性 的，碰撞的环境是复杂多变的，碰撞的车辆也是各种型号的，国内只是在某一 方面或具体车辆碰撞环境研究的比较多，缺乏通用性和可操作性。本文吸取以 上不足基础上建立一个通用性强的交通事故再现仿真平台。 论文谋划了交通事故再现平台的整体搭建框架和仿真环境的具体实现。在 虚拟仿真的理论基础上，采用三维建模软件建模出仿真环境所需的车辆、树木、 路灯和其他的道路设施，通过o p e n g l 技术，实现三维模型的读取、显示和控 制，动态的构建了道路及其环境场景，以及车辆的三维动画仿真。在汽车碰撞 基本理论和o b b 碰撞检测算法的基础上，采用车辆碰撞模型和能量和动量守 恒定律，进行真实可靠的仿真计算。最后，对平台的整体搭建、总体设计和开 四川师范大学硕士学位论文 发过程进了阐述，实现了平台中的部分功能，简要介绍了平台在实例中的应用 情况。 本平台可以对道路进行动态绘制，对仿真环境中的树木、路灯和房屋等可 以进行动态的加载，仿真车辆库可以容易的更新，基本实现了平台的功能，达 到了通用性的目的。 关键词：环境仿真平台搭建事故再现o p e n g l 汽车碰撞 n 四川师范大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft r a f f i ca c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n e x p e r i m e n ts i m u l a t i o np l a t f o r m m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e ：l ip i n g t u t o r ：y a ny u - s o n g a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m i ca n dt h ei n c r e a s eo fg r o s s n a t i o n a lp r o d u c t ( g n p ) ，a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt r a f f i ct r a n s p o r t a t i o nh a v eb e e n r a p i d l yd e v e l o p i n g a n df i t s t h e p e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d sc o n s t a n t l yr i s i n g ，t h e n u m b e ro fc h i n a s p r i v a t ev e h i c l ew a sg r o w i n g t h e s ea s p e c t sh a v ee x e r t e d g r e a t e rp r e s s u r et oo u rc o u n t r y sh i g h w a y s ，r a i l w a y st r a n s p o r t a t i o n t h o u g ht h ep a s t t w oy e a r st h en u m b e ro fr o a da c c i d e n t si nc h i n ah a sb e e nr e d u c e d ，t h en u m b e ri s s t i l lh u g e ，w h i c hi sm o t et h a nah u n d r e dt h o u s a n d a u t o m o b i l ea c c i d e n ti sam a j o r p u b l i ch a z a r dw o r l d w i d e a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a ld a t a ，t h en u m b e ro fd e a t h s d u et or o a dt r a f f i ci sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n ge v e r yy e a r u n t i ln o w ，t h en u m b e ro f c a s u a l t i e si nt r a f f i ca c c i d e n t sh a se x c e e d e di nt h ew a r r o a dt r a f f i ca c c i d e n t sh a v e b e c o m eav e r ys e r i o u sg l o b a ls o c i a lp r o b l e m c o m p u t e rs i m u l a t i o n o ft r a f f i c a c c i d e n t sa th o m ea n da b r o a dh a v ed o n eal o to fw o r k ，i n c l u d i n gv e h i c l ec o l l i s i o n m o d e l sa n dd y n a m i c sm o d e l se s t a b l i s h m e n t s ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n s ，c o l l i s i o n d e t e c t i o nr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o n ，i n t e l l i g e n tl i a b i l i t yj u d g m e n tf o rt r a f f i ca c c i d e n t e t c t h et y p e so ft r a f f i cc o l l i s i o n sa r ed i v e r s e ，t h ec o l l i s i o ne n v i r o n m e n ti s c o m p l e xa n dc h a n g e a b l e ，a n dt h em o d e l so fc o l l i s i o nv e h i c l e sa r ea l s ov a r i o u s d o m e s t i c ss t u d i e so n l yo no n ea s p e c to rs p e c i f i cv e h i c l ec o l l i s i o ns i t u a t i o n ，s oi t l a c k so fv e r s a t i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y t h i sa r t i c l eb a s e do nt h el e s s o n st ob u i l da h i g hu n i v e r s a l i t yo ft h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m i i i 四川师范大学硕上学位论文 h o wt ob u i l dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o np l a t f o r ma n d t h er e a l i z a t i o no fs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n td e s i g na r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s b a s e d o nt h ev i r t u a ls i m u l a t i o nt h e o r y ，u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r et ob u i l d m o d e l i n gv e h i c l e s ，t r e e s ，s t r e e tl a m p sa n do t h e rr o a d sd e v i c e s t os i m u l a t et h e e n v i r o n m e n tw en e e d ，a c h i e v i n g r e a d i n g ，d i s p l a y i n g ，c o n t r o l l i n g t h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l s ，d y n a m i cc o n s t r u c t i o no fr o a d sa n dt h ee n v i r o n m e n t ，a s w e l la st h et h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t e ds i m u l a t i o no fv e h i c l eb yo p e n g l b a s e d o nt h eb a s i ct h e o r yo f a u t o m o b i l ec o l l i s i o na n do b bc o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m ， v e h i c l ec o l l i s i o nm o d e la n de n e r g ya n dm o m e n t u mc o n s e r v a t i o nl a wa l ea d o p t e df o r a u t h e n t i ca n dr e l i a b l es i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h ep l a t f o r m so v e r a l lc o n s t r u c t i o n ， o v e r a l ld e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s sa r er e p r e s e n t e d ，s o m ef u n c t i o n so ft h e p l a t f o r ma r ea c h i e v e da n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ep l a t f o r mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ep l a t f o r mw h i c hc a nd y n a m i c a l l yd r a wo nt h er o a d ，d y n a m i c a l l yl o a di nt h e t r e e s ，s t r e e tl a m p sa n dh o u s eo nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，e a s i l yu p d a t et h e d a t a b a s eo fs i m u l a t i o no fv e h i c l e sb a s i c a l l ya c h i e v e si t sf u n c t i o n sa n di t sp u r p o s ef o r g e n e r a lu s e k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a ls i m u l a t i o n p l a t f o r mb u i l da c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n o p e n g l v e h i c l ec r a s h i v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师芒金垄耋蕉指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷 版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供检 索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的 学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全 文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：沙f o 年 菇辑 6 月日 导师签 签字日期 四川师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 随着社会发展，经济水平提高，城市规模不断扩大，道路和交通设施不断 更新，城市居民生活步伐逐渐加快，机动车保有量随之逐年增加。据中华人民 共和国公安部交通局的统计数据，截止2 0 0 8 年底，全国机动车保有量为1 6 9 8 8 万多辆【1 1 ，比2 0 0 7 年增加1 0 1 1 多万辆，增长率高达6 3 3 。截至2 0 0 9 年3 月，全国机动车保有量为1 7 2 7 6 9 3 7 1 辆，与去年底相比，增加2 8 8 1 6 2 7 辆，增 长1 7 0 ；与去年同期相比，增加1 0 0 3 4 1 3 9 辆，增长6 1 7 瞄3 。与此相对应， 道路交通事故的数据也是令人触目惊心的。 据中华人民共和国公安部统计，2 0 0 7 年我国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，事故中死亡人数8 1 6 4 9 人，受伤人数3 8 0 4 4 2 人，直接财产损失1 2 亿元人 民币b 3 。从上面数据我们可以容易算出，在我国9 6 0 万平方公里的土地上，平 均每2 9 平方公里就有一起交通事故发生，平均每4 起交通事故就要死亡一人。 2 0 0 8 年我国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡，3 0 4 9 1 9 人受 伤，直接财产损失1 0 1 亿元h 1 。 联合国世界卫生组织( w t o ) 提交的最新报告显示：近几年全球每年因 交通事故造成死亡的人数多达1 2 0 万人，另外还有数百万人在汽车事故中受伤 致残。中国的汽车保有量仅占全球1 - 2 ，但是交通事故死亡人数却占全世 界的1 5 2 0 ，连续多年居世界第一。由此可见，交通事故已经成为一个严 重并亟待解决的问题，它不仅给人们带来痛苦和不幸，给国家带来经济损失， 给社会带来不安定因素，而且破坏了正常的交通秩序，阻碍了和谐社会的发展， 影响了国家的经济建设。 中国近些年来也加强了对群众的道路安全教育，健全了交通法规，加大了 道路安全的宣传工作，故2 0 0 2 年以后我们国家的公路交通事故统计上有减少 的趋势，但是数量还是惊人的，所以道路安全问题还是中国面临的一个极富挑 战性的问题。 道路交通安全不仅直接关系着人民群众人身和财产安全，而且直接影响着 道路运输的效率和质量，影响着国家的经济建设和和谐社会的发展。因此，分 析道路交通事故产生的原因，防止和减少交通事故的发生，具有重要的政治、 四川师范大学硕上学位论文 社会和经济意义。交通事故责任的正确判定也影响着和谐社会的发展。 传统的交通事故分析都是通过现场的平面图、现场遗留下来的线索和其他 资料，加上办案人员的经验和对交通事故有关法律、法规的理解进行分析，不 能动态的演示事故当时的情况，缺乏直观性和客观性。但是基于三维动画的交 通事故再现仿真正好弥补了这一缺点，能生动逼真的再现交通事故发生瞬间的 情况，用科学的方法，提高了交通事故分析的真实性、科学性和生动性。 近些年来，随着计算机技术的不断发展，以及虚拟现实技术的不断进步， 再现仿真技术越来越多的应用到人们的生产和生活当中，并且扮演着越来越重 要的角色。首先，利用虚拟现实技术可以极大的节约研究成本和试验成本。例 如，以前汽车厂商在测试汽车安全性能的时候是用真实的车辆，在某一设定好 的环境下，进行碰撞试验，试验成本非常高，但是利用虚拟现实技术就可以容 易的解决这个问题，并且还可以根据用户的不同需要设定不同的实验环境，在 一定程度上可以替代现实中的测试技术研究。虚拟现实技术在本文交通事故再 现过程中起着非常重要的角色。其次，可以把试验单位或者是使用部门中积累 的数据和经验进行汇总，建立数据库，便于查询和为以后的实验与研究提供便 利。最后，再现仿真可以动态的、直观的、交互的反映出车辆运行的整个过程， 便于相应的分析与研究。 本研究中汽车碰撞事故的实验是利用初始速度，碰撞模型计算出是否能发 生碰撞，如果发生碰撞，则根据动力模型计算碰撞后的速度，碰撞后的运动轨 迹与最终位置，并且利用三维动画的方式将整个过程再现出来。另一方面，对 于发生过的汽车碰撞事故的再现是根据汽车的终止状态、现场的地面痕迹、碰 撞位置以及一些其他参数，再根据动力模型计算出汽车发生碰撞前的各自速 度，在此基础上明晰整个事故过程，弄清事故原因，并且利用三维动画的方式 再现出来。采用动画的效果是为了清晰、直观的反应整个过程。 1 2 国内外研究现状 目前针对交通事故的再现仿真研究中，有着很多的研究方法和研究方向。 例如，针对仿真中用到的参数进行优化的研究，使系统对输入的参数进行优化 处理，之后利用优化函数调用最优的碰撞模型和动力模型来进行仿真；针对碰 撞检测的研究，核心是碰撞检测算法的选择和优化；针对汽车碰撞受力的计算 2 四川师范大学硕士学位论文 及简化研究。不管哪种研究方法和方向，计算机虚拟现实技术和三维动画仿真 都是其中重要的组成部分。 国外许多国家在交通事故模拟与事故再现方面的理论已经比较完备，相继 研究出了用于事故重现和分析的应用软件，在参考文献【9 】、【1 0 】、【1 1 】、【1 2 】、 【1 3 e 介绍了国外交通事故计算机再现仿真的发展情况：如美国国家道路交通 安全局( n h t s a ) 资助开发的大型事故再现软件系统s m a c 、c r a s h 和 m p a c t 利。s m a c ( 汽车碰撞模拟模式，s i m u l a t i o nm o d e lo fa u t o m o b i l e c o l l i s i o np r o g r a m ) 软件主要使用牛顿第二定律的数值积分进行求解， c r a s h ( 卡尔斯本公路肇事速率再现程序，c a l s p a nr e c o n s t r u c t i o no fa c c i d e n t s p e e do nt h eh i g h w a yp r o g r a m ) 软件则是使用碰撞前后的能量守恒和平移过程 中的动量守恒求解；日本的j a r i ( 日本汽车研究所) 研发了j 2 d a c s 系统； 奥地利开发了p c c r a s h 和h v o s m ，p c c r a s h ( p c 碰撞模拟软件) 软件 由h s t e f f a n 博士开发的用于交通事故模拟的系统，近年来还在不断的完善； 法国研制了a n a c 软件。此外，还有9 0 年代由d d a y 研制的h v e 仿真软件 嘲( h u m a n v e h i c l e e n v i r o n m e n t ) ，它以人、车辆及其环境组成的闭环系统为 基本模型，其中以对人和车辆的仿真为主，辅以虚拟环境，可以建立三维的人、 车和环境模型，并能仿真三者之间可能发生的相互作用。这些系统都是基于运 动驾驶及动力为模型，以二维或者三维的图像来表现仿真结果的。 国外的软件输入参数众多，其中不乏专业参数，普通用户很难使用。加上 每个国家的实际情况不同，所以不能照搬国外的相关软件应用到我们国家的道 路安全上来，我们要根据自身的需要，建立符合中国国情的道路安全软件。 国内已经开始了交通事故的计算机模拟仿真和汽车碰撞等方面的研究。清 华大学、吉林大学等高校已经对交通事故动态模拟这方面取得了一定的成果， 但是我们国家虚拟现实技术以及其他的相关技术都还处于初级阶段，还需进一 步的发展和改进，所以交通事故再现仿真研究有重要的意义。 1 3 本文研究目的和内容 在道路交通系统中，除了车这个因素之外，还有人、路、天气、环境等其 四川师范大学硕士学位论文 他因素，并且这些因素之间相互影响，使得之间的关系错综复杂，所以道路交 通系统中不能仅仅只研究车，或者只研究车与路之间的关系，而是要把各个方 面都考虑到，这就涉及一个平台的概念。此外，如何利用力学原理和实验建立 合理的数学模型，在计算机虚拟现实技术的基础上，比较可靠、真实的推算出 汽车在碰撞前后的速度，这是建立平台之后要解决的主要问题。本论文的研究 目的在于通过建立一个相对完善的交通事故再现仿真实验平台，在此基础上利 用物理和数学模型建立比较完善和准确的车辆二维碰撞模型和动力学模型，并 且编写出相应的仿真模拟软件，推算出比较真实可靠的碰撞前或者碰撞后的速 度，最后用三维可视化的形式展现在用户眼前。 本论文的研究内容如下： ( 1 ) 再现仿真实验平台的整体搭建 一个实用的、通用的平台不仅是一套完整的、严密的服务于软件产品及其 相关的文件，它还基于系统可以自维护、自扩展，易于升级，更重要的是可以 和谐地与用户交互。不同的用户有不同的需求，即使同一个用户的需求也会时 常变化，平台的通用性就能满足这些不同需求。 本文要整体搭建一个交通事故的再现仿真平台。包括交通事故环境的建立 与车辆库的建立。环境的建立包括事故发生地点及周围的道路的动态绘制、周 边建筑物的动态绘制、天气的动态选择以及道路附属物( 例如各种限制标志、 路灯及信号灯等) 的动态加载。车辆库的建立是建立一个相对完整的车辆选择 库，在出现新车型或者淘汰旧车型，用户( 平台的操作人员) 可以自己添加和 修改，而不需要专业的平台维护人员完成。 ( 2 ) 碰撞前后速度的推算 速度是分析与研究交通事故发生的关键性因素。由于事故发生的时间非常 短暂，一般在0 1 秒之内，加上汽车碰撞的多样性，使整个碰撞过程变得十分 复杂。仅利用现场的线索推算出速度的准确数值是十分困难的。根据不同的碰 撞形态，建立不同的碰撞模型，在不同的碰撞模型上运用动力学的相关理论， 就可以求出碰撞前后的可靠速度。简单的一维碰撞( 如迎面正碰、追尾碰撞) 求解它们的动力学理论也相对简单，本文中利用的是碰撞前后动量和动能守恒 定律求解，相对复杂的二维碰撞( 如侧面直角碰撞、斜角碰撞等) 为了准确的 4 四川师范大学硕士学位论文 求解，在动力学理论的基础上引入了恢复系数等相关概念。并且对参数进行了 优化，使推算速度的准确性大大提高。 现在比较普遍的两种求解速度方法是正推法和反推法。顾名思义，正推法 就是知道车辆的初始速度和位置，根据碰撞检测算法判断两辆车是否会发生碰 撞，如果发生碰撞则利用碰撞模型和动力学理论求解出碰撞后的速度和位置， 这种方法可以对两辆车赋予初始速度，反复的实验，根据实验的结果和已经发 生的交通事故进行比对，最终得到实验希望的结果。反推法就是知道车辆的最 终位置和现场的其他信息，根据碰撞模型和动力学理论推算出碰撞发生瞬间两 车的速度和两车的碰撞前的初始速度，从而判断事故的原因和责任。 ( 3 ) 车对车碰撞试验仿真平台的开发 仿真平台的搭建过程中环境的搭建是重点，有一个逼真的环境，用户才能 有很好的沉浸感，才能更好的使用平台。其中道路的动态建立又是环境搭建中 的重点与难点。用户可以根据不同的事故或者实验的环境建立道路，使平台有 很好的通用性。 在汽车碰撞过程中，本文采用的是正推法。首先利用碰撞检测算法，判断 两车是否发生碰撞，如果发生碰撞，一维正面碰撞时，两车在同一条直线上， 两车碰撞后的终止位置和初始的行驶方向不会有很大的偏离，只是冲量大的将 使冲量小的汽车位置后移。一维追尾碰撞时，两车仍然在同一条直线上，根据 能量守恒定律和能量交换理论，后面的一辆车将使i j f 面的一辆车加速，两辆车 沿着初始行驶方向向前运动。二维侧面碰撞中，碰撞双方都将会不同程度的偏 离初始行驶路线。车辆的运动轨迹取决于碰撞冲量、碰撞的部位、车辆结构及 重心位置、摩擦系数、附着系数等等。 本文中通过建立碰撞模型和动力学原理，在w i n d o w sx p 操作系统上，用 v i s u a lc + + 语言完成“交通事故再现实验仿真平台 的设计与开发，同时，调 用o p e n g l 图形库，作为图形硬件的软件接口。基于面向对象的编程技术和 o p e n g l 的强大图形库，开发交通事故再现实验仿真平台。通过该平台动态建 立所需的各种交通事故仿真环境，在此环境中实时分析车辆的碰撞过程以及在 整个运动过程中各个参数的变化，准确推算出碰撞后车辆的速度并流畅再现车 辆碰撞过程中的运动轨迹。 5 四川师范大学硕士学位论文 1 4 论文的组织 论文的正文部分共分为五章，介绍了交通事故再现仿真实验平台的理论研 究基础、实现方法及开发过程。对平台的搭建以及其中的各个模块均作了详细 的说明。 第一章绪论 概述了本文的研究背景，分析了国内外的研究现状，从而引出了建立一个 交通事故再现实验仿真平台的必要性，同时对本文的研究内容和论文的具体结 构进行了说明。 第二章交通事故再现仿真关键技术 在本章中，介绍了建立这样一个平台所涉及的理论基础，包括进行图形图 像处理的o p e n g l 技术，如何利用o p e n g l 的坐标变换实现三维物体的放大、缩 小、旋转和移动，以及3 d s 文件的输入、处理和控制；碰撞检测技术检测物体 之间是否发生碰撞，以及在碰撞后速度求解的相关理论。 第三章交通事故中环境的动态建立 动态建立交通事故环境，可以满足用户的各种需要；逼真的环境，能够使 仿真计算更加准确，并且能够满足用户的沉浸感。所以平台的搭建中环境的动 态建立是非常重要的。本章介绍了交通事故环境中静态物体和动态物体的仿真 过程，静态物体的仿真包括道路的动态建立，动态物体的仿真包括天气模拟， 车辆库的建立和环境中其他元素的仿真。 第四章交通事故再现实验仿真平台分析与设计 本章重点研究了平台的整体搭建，及平台中各个模块的功能。对整个平台 进行了详细的谋划，阐述了平台的整体结构与流程，并对其中再现仿真模块进 行了详细讲解。根据理论设计出环境的动态建立以及两车碰撞试验的计算机三 维动画模拟仿真程序。 第六章结论与展望 本章对本文的研究工作进行了总结，并且对以后的研究工作进行了展望。 6 四川师范人学硕上学位论文 第二章交通事故再现仿真关键技术 2 1 三维仿真技术o p e n g l 2 1 1o p e n g l 概述 随着计算机技术的发展，计算机越来越多的应用到人们的生活和生产之 中。如在工程应用领域，因为计算机仿真技术的不断发展，使一些工程，不必 在真实的试验场就可以获得许多系统模型的性能。即使真正的实验，也可以通 过计算机仿真系统对实验进行再现，达到反复试验、验证结论的目的。因此计 算机仿真已经成为一些工程领域和一些软件开发师的重要工具。 涉及专业图形处理、科学计算和较大规模仿真等领域都可以运用 o p e n g l 。o p e n g l n 印n 阳是由s g i 公司开发的图形硬件的软件接口 1 6 og l 的意 思是图形库( g r a p l l i c sl i b r a r y ) ，即它是一个三维图形库，并且独立于操作系 统和硬件。对编程人员来说，o p e n g l 实际上是处理图形的一组函数的函数库， 这些函数可以绘制基本的三维图形元素或者改变当前的绘制状态。程序员通过 o p e n g l 可以创建交互式的仿真应用程序，实现逼真的三维效果，所以近些年 来，o p e n g l 已经成为制作三维动画的主要工具，在很多领域都得到了广泛的应 用。 o p e n g l 是个状态机，可以设置它的各种状态，然后让这些状态一直生效， 直到再次修改它们n7 1 。图2 1 显示了o p e n g l 的基本工作流程n 引。程序从图中 的左边进入，通过顶点数据和一系列处理，根据一些指令，构造集合要素( 点， 线，面，位图等) ，创建对象的数学描述。通过像素数据，计算出对象的颜色。 之后利用光栅化把对象的数学描述和颜色信息转换到屏幕像素输出，并将结果 片原融入帧缓存中n 钔伽1 。 7 四川师范大学硕士学位论文 图2 。1o p e n g l 基本工作流程 2 1 2 建立视场 在屏幕这个二维平面上显示三维物体的实质就是创建三维物体的二维图 像瞳，把二维的数据和三维的物理联系在一起的唯一纽带就是坐标。在屏幕上 绘制物体的时候要用三维坐标的方式来考虑，而不是平面的二维坐标方式绘 制。在绘制的过程中我们还要考虑通过什么角度和根据场景的大小确定哪些物 体在当前的场景中。o p e n g l 中的坐标变换犹如相机照相的过程，为了很好的 说明三维物体n - 维图形之间的变换，引入了相机模拟的方式。如图2 2 所示， 照相机拍照，通常需要经历以下几个步骤： l 、将相机至于三角架上，让它对准三维物体。这就相当于o p e n g l 中调 整视点的位置，即视点变换。 2 、将三维物体放在场景的适当位置。这就相当于o p e n g l 中的模型变换， 可以对模型进行旋转、平移和缩放。 3 、选择镜头并调焦，是三维物体投影到胶片上，这就相当于o p e n g l 中 把三维模型投影到二维屏幕上。这个过程就是o p e n g l 的投影变换。o p e n g l 中投影的方法分为正射投影和透视投影两种。 4 、冲洗二维底片，根据需要决定相片的大小。这就相当于o p e n g l 中的 视口变换埋。 叫j i 师范大学硕士学位论立 w l m - c t 旰j帅hic d m a j - 冻冬 橇冬 胞b 氡 i - j z 密 商 图22 相机模拟o p e n g l 中的各种坐标变换 通过以上几个步骤，一个三维空自j 中的物体就可以投影到相应的二维平面 中了，也是说可以在二维屏幕上正确显示出来了，图23 直观的蜕明了三维物 体的显示过程。 圈23 三维物体的显示过程 四川师范大学硕士学位论文 2 1 3 定义视景体 模仿人类眼睛的成像原理与过程，我们了解眼睛只能看到正对前面1 8 0 。 范围内的空间，随着眼睛的左右转动或者上下转动，看到的空间是不同的。同 一个物体放在离我们眼睛2 米的距离还是2 0 米的距离给我们的感官也不一样， 会感觉离我们眼睛近的物体要大一些。如果要让仿真效果像人眼看世界一样的 真实，就要在三维领域中用到视景体的概念。 人类用眼睛观察世界的时候，我们关心的是什么样的景物进入我们的视线 之内，计算机对现实世界进行三维仿真也一样，需要知道哪些物体需要显示在 我们的电脑屏幕上，除此之外还要确定仿真物体是以哪种方式映射到屏幕上 的，这些都需要定义一个视景体。我们可以将视景体想象成为一个盒子，放在 盒子里的物体就是最终显示在屏幕上的图像。如果想实现根据观察对象距离观 察点的远近不同看到的大小也不同的效果，o p e n g l 中是用不同的投影方式决 定的。 投影方式有两种：一种是透视投影，一种是j 下射投影( 平行投影) 。透视 投影得到与人眼观察世界相同的效果，使远离观察点的对象比近处相同的对象 看起来更小。正射投影是无论物体距离视点多远，投影后的尺寸不变，典型的 应用是c a d 或者渲染二维图像，例如设计图或者二维图片。所以我们在构建 虚拟环境的时候采用的是透视投影。 在仿真中我们正是利用o p e n g l 中的g l u p e r s p e c t i v e 0 或者g l f r u s h t u m ( ) i 垂l 数来创建一个透视的视景体。本文中使用g l f r u s h t u m ( ) i 函数实现透视的视景体 的创建，其原型为： v o i dg l f r u s t u m ( g l d o u b l el e f t ，g l d o u b l er i g h t ，g l d o u b l eb o a o m ，g l d o u b l et o p ， g l d o u b l en e a r , g l d o u b l ef a r ) ； 这个函数的六个参数中( 1 e f t ，b o a o m ，n e a r ) 组成近裁剪平面的左下角的三维 坐标值，( r i g h t ，t o p ，n e a r ) 组成近裁剪平面的右上角的三维坐标值，最后一个参 数f a r 是远裁剪平面的z 负值。n e a r 和f a r 表示离视点的远近，我们都是透过 计算机屏幕向里面观察虚拟世界的，所以他们总为正值。该函数形成的视景体 如图2 4 所示。本文中交通事故的仿真整体环境就是通过透视投影呈现在屏幕 中的。 l o 四川师范大学硕上学位论文 视 远平面距离( f a r ) 图2 4 透视投影视景体 在使用过程中，用户可能会随着自己的需要修改屏幕窗口的尺寸，这个时 候视景体的大小也要随着发生相应的改变，否则就会出现屏幕窗口和场景不匹 配的情况发生，这种情况在视景体定义的时候就要考虑到，所以应该修改v c 框架中的v i e w 类的o n s i z e 函数参数为此定义的视景体，这样窗口和视景体 就绑定在了一起。 2 1 4 显示复杂三维模型 o p e n g l 中是通过点组成线，线及其拓扑结构组成面，之后由点、线、面 组成想要绘制的图形。这种绘制模型方式比较简单灵活，可以绘制简单的、规 则的物体模型。如果要绘制比较复杂的、大型的、不规则的物体模型，使用 o p e n g l 就会比较繁琐，容易出错。为了解决这个问题，我们可以使用一些3 d 建模软件，绘制出3 d 模型，之后导入到o p e n g l 中。当前比较流行的制作3 d 模型的建模软件有a u t o c a d 、3 d m a x 等，而主流的3 d 模型格式 有m a x 、3 d s 、o b j 、w r l 、a s e 、f l t 、d x f 等。本文采用的是大众 化的3 d s 文件格式作为仿真的基本建模格式。除此之外我们选择3 d s 的另一 原因是3 d s 在建模方面有相当丰富的经验，在以往的三维模型建造过程中发 挥了巨大的作用。因此，选择它也可以给我的项目开发节约成本。 四川师范大学硕士学位论文 m a i n 3 d s ( 0 x 4 d 4 d ) + - - e d i t 3 d s ( 0 x 3 d 3 d ) i + - e d i t m a t e r i a l ( o x a f f f ) il l + 一m a 疋- n a m e o l ( 0 x a 0 0 0 )( s e e m l i d o e ) i + - e d i t _ c o n f i g l ( o x o l 0 0 ) + - e d i t c o n f i g 2 ( 0 x 3 e 3 d ) “e d i t v i e w _ p 1 ( 0 x 7 0 1 2 ) +-top(0 x0001) + - e d i l v l e w - p 2 o x 7 0 11 ) +-top(oxo001) 4 - - e d i t v l e w - p 3( o x 7 0 2 0 ) + - e d i t _ v 1 e w i( 0 x 7 0 0 1 ) + 一e d i tb a c k g r ( 0 x i2 0 0 1 4 - - - e d i t a m b i e n t ( o x 2 10 0 ) 4 - - - e d i t _ _ o b j e c t( o x 4 0 0 0 ) + - o b j t r i m e s h ( o x 4 1 0 0 ) f + - o b j _ l i g h t( 0 x 4 6 0 0 ) + - o b j c a m e r a ( 0 x 4 7 0 0 ) li i+ - c a m u n k n w n 0 1 + - - c a m u n k n w n 0 2 i l + - o b ju n k n w n 0 1 + - o b j u n k n w n 0 2 i + - k e y f 3 d s ( 0 x b 0 0 0 ) l + - o b jl i g h t + 一k e y f 3 d s ( 0 x a 0 0 0 ) 图2 53 d s 文件结构图1 ( 0 x 4 7 10 1 ( 0 x 4 7 2 0 ) ( 0 x 4 6 0 0 ) ( o x 4 7 1 0 1 ( 0 x 4 7 2 0 ) 3 d s 的文件格式主要是由一些叫做c h u n k s 的数据块组成啪2 7 1 。每个块 首先描述其信息类别，即该块是如何组成的。块的信息类别用i d 来标识，块 还包含了下一个块的相对位置信息啪。c h u n k s 块通过它的i d 形成了一系列的 c h u n k 层级结构。一个3 d s 文件拥有一个基本块，它的d 是4 d 4 d h ，这个块 总是3 d s 文件的第一个数据块。 为了对块的层次结构有一个初步的认识，上面给出了一个图表来说明不同 四川师范大学硕士学位论文 类型( i d ) 的块及其各自在文件中的位置，如图2 5 。 在本文中定义了两个类c t r i l i s t ，c t r i o b j e c t 。c t r i o b j e c t 主要用于处理 3 d s 文件中的各种对象，这些对象都是以链表的形式存储的，所以就会用 c t r i l i s t 类处理对象序列。c t r i o b j e c t 主要包含以下成员变量： i n t i d ； i n t i ； f l o a t v a l u e ，v a l u e p o s ；基本的材质成员变量 f l o a t * x ：对象的几何位置的坐标 f l o a t y ； f l o a t z ； i n t n u m v e r t i c e s ； f l o a t * n x ； 对象的法向量 f l o a t n y ； f l o a t n z ； i n t n u m n o r m a l s ； h a t o b j f a c e s ； 对象的面的数目 i n t f a c e s _ n u m ； t m a t e r i a l * o b j m a t e r i a l ； 对象的材质 i n t m a t e r i a l _ n u m ； i n t * o b j m a t f a c e ； 具有材质的面的数目 血 m a t f a c e _ n u m ； c h a r * n a m e ； 名称 f l o a t p i v o t 3 ； f l o a t p i v o t r o t 4 ； 对象外部形状主要是采用三角形近似，如下代码所示： g l b e g i n ( g l - - t r i a n g l e s ) ； f o r ( i = o ；i f a c e s _ n u m ；i + = 3 ) i f ( m a t e r i a l s a p p l i e d ) 四川师范人学硕士学位论文 g l c o l o r 3 f ( o b j m a t e r i a l o b j m a t f a c e i 3 d i f f u s e c o l o r 0 ， o b j m a t e r i a l o b j m a t f a c e i 3 d i f f u s e c o l o r 1 ， o b j m a t e r i a l o b j m a t f