MATLAB虚拟现实技术实现飞机绕大楼

1、MATLAB 虚拟现实 VR 程序编写摘要MATLAB 提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。其语句书写简单、功能强大，而且提供很多面向解决应用问题的工具箱函数，是当今国际上科学界(尤其是自动控制领域) 最具影响力、也是最有活力的软件。虚拟现实技术也因其在各个领域的多方面应用已经同网络、多媒体并称为 21 世纪三大最具有前景的应用之一，是最近几年来国内外科技界关注的一大热点。随着虚拟现实技术的发展，MATLAB 也在日新月异的发展，不断完善功能，推出的虚拟现实工具箱就是与虚拟现实技术的接轨。通过对 MATLAB 虚拟现实工具箱

2、的研究，使用 V-Realm Builder 构建虚拟世界，在 MATLAB 环境下对虚拟对象进行简单的编程，来实现飞机绕大楼飞行的虚拟现实演示.演示结果充分说明了 MATLAB 的强大功能可以使具体应用问题的解决不必依靠复杂的编程即可实现，体现了虚拟现实技术的交互性及重要意义。关键词：MATLAB 虚拟现实 VRMLABSTRACTMATLAB provides the formidable science operation, nimble programming flow,high grade graph visualization and Interface design, conve

3、nient functions with otherprocedures and language connection. MATLAB whose sentence writes simply buthave powerful use, provides many tool case functions being geared to the needs ofresolving application problems, It is now the most influence, and also the activesoftware in scientific circles in int

4、ernational (particularly in automatic controldomain). Virtual Reality technology is one of the most promising applications in 21centuries with network and multi-media. Because of many applications in each field,it becomes a big hot spot which domestic and foreign scientific and technical circlesatte

5、ntion for recent several years. With the development of Virtual Reality technology,MATLAB perfects a function unceasingly also in advancing with times, the VirtualReality toolbox debuting is a meeting track with Virtual Reality technology .By theresearch to MATLAB Virtual Reality toolbox, learn usin

6、g V-Realm Builder tostructurethesuppositionalworld,suppositionalrealcarryoutthesimpleprogramming on suppositional object, coming to realize an aircraft winding buildingflying under the environment in MATLAB demonstrates. Demonstrate result havingexplained that The MATLAB formidable function might ca

7、use the solution to theconcrete application questions not to need to depend upon the complex programmingthen to realize, it has manifested the virtual reality technology interactive and theimportant meanings.Key words：MATLABVirtual RealityVRML目录一前言1二虚拟现实 22.1 虚 拟现实简介22.2虚拟现实技术的发展意义22.3VR虚拟现实技术的应用32.

8、4 虚拟现实技术主要发展动向3三MATLAB介绍43.1MATLAB的概况 43.2MATLAB产 生 的 历 史 背 景 43.3MATLAB的语言特点53.5 MATLAB 虚 拟现实工具箱的安装与设置63.6 MATLAB虚拟现实语言-VRML 简介63.7MATLAB虚拟现实工具箱相关函数介绍7四 飞机绕大楼飞行的模拟实例74.1 构建飞机绕大楼的虚拟世界74.1.1用V-realmBuilder建立虚拟世界84.1.2添加对象94.1.3 对所构造虚拟世界的对象的编程104.2飞机飞行轨迹的设想104.3 在 MATLAB 下导入虚拟现实文件124.3.1 飞机飞行姿态问题的考虑13

9、4.4 仿真实现飞机绕大楼飞行14五结 论 17谢辞18参考文献 19 附录20前言虚拟现实 ，英文名为 Virtual Reality ，简称 VR 技术。它与传统的模拟技术完全不同，是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并按照自己的意愿去改变“不随心”的虚拟环境。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环

10、境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。在国外，美国是在 VR 技术方面最具权威性的国家。利用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功，是近几年来一件引起科技界瞩目的伟大成果。日本在建立大规模 VR 知识库和虚拟现实的游戏方面做出了很大的成就。欧洲一些国家也有重要成果。在我国 VR 技术的发展起步于 90 年代初，目

11、前已有多所研究中心和大学进行了这方面的研究。在医学上，我国的“虚拟人”具有标准的人体选取和尸体处理办法，精密的人体切片密度和我国首创的人体结构染色技术。这使得我国的“虚拟人”研究已走在世界前列。北京科技大学钟延炯教授研制的 VR-4 的汽车驾驶模拟器是我国虚拟现实技术产品的典型代表。虚拟现实技术的应用于 2006 年获得了重大突破，一款名为 Second Life的网络游戏，以虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）所构建的高度拟真体验，完全颠覆了人们对互联网的想象。截止 2006 年 12 月，已经有 300万人生活在这一虚拟世界中，且以每月 20 万名用户的速度

12、增长，并成功吸引了全世界主流媒体的热捧。人们已经发现，一个完全逼真的“虚拟世界”（Metaverse）已经进入我们的生活，一种非同寻常的变化正在发生。这次设计要完成的是通过对虚拟现实技术的了解，应用 MATLAB 的虚拟现实工具箱，来完成简单的编程，实现飞机绕大楼飞行的虚拟现实场景演示。本次设计需要解决的问题主要是飞机的飞行轨迹和飞行中飞机的姿态。虽然本次设计只是虚拟现实技术与 MATLAB 结合的简单应用，但体现了 MATLAB 与时俱进的强大功能和虚拟现实技术的重要推广价值。二虚拟现实2.1 虚拟现实简介虚拟现实，也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技

13、术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。虚拟现实的三大特点是：沉浸度，交互性，想象力。其中实质性特征的就是交互性。因为虚拟现实技术是一种全新的人机交互方式，不是简单的图形显示，而是动态的三维立体空间,用户不仅可以看到虚拟现实里的对象，还可以操作其中的一些部分随人类的意志运动，让用户感受到真正的参与和产生满足感。自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益，与网络、多媒

14、体并称为 21 世纪最具应用前景的三大技术。2.2 虚拟现实技术的发展意义现在，迅速发展的计算机硬件、软件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。从萌芽到今天的日渐成熟，虚拟现实技术的发展也经历了风风雨雨。它在各个方面的应用日益改变着人类的工作、生活和学习环境，使得数据与程序的交流更为简单和广泛。但到目前为止这些还只是初步应用，相信在以后虚拟现实技术会得到更好的发展，为人类社会做出更大的贡献。展望未来 5 年虚拟现实将与人类更加贴近，给予虚拟现实的服

15、务项目日趋多元化。而在虚拟现实的应用领域，基于互联网的应用将爆发前所未有的爆发力。而虚拟现实融合语音智能将为虚拟现实的网络平台插上飞翔的翅膀。2.3 虚拟现实的各种应用随着虚拟现实技术的发展，它的应用领域也得到了很大的扩展，已经不仅仅是应用于游戏和主题公园方面，在医学，建筑，军事，航空航天，网络教学及电影制作等方面也有了重要的应用。2.3.1 虚拟现实在现代医学上的应用在医学上，我国的“虚拟人”具有标准的人体选取和尸体处理办法，精密的人体切片密度和我国首创的人体结构染色技术。这使得我国的“虚拟人”研究已走在世界前列。医生可以在虚拟人身上作手术获得经验，试用新药，还可以将其放在危险的核、生化武器

16、试验现场获得对人体有害的数据。2.3.2 虚拟现实在航空航天中的应用在航空方面，虚拟现实可以让宇航员在上太空之前进行逼真的太空操作和太空行走，为以后真正的太空行动积累经验。在航天方面，它为飞行员的训练提供帮助，有效地防止了空难的发生。2.3.3 虚拟现实在军事领域的应用VR 技术就是诞生于军事应用，在军事应用方面很多，包括：模拟战场，模拟操作，模拟驾驶，模拟装配等等。都需要通过 VR 技术来实现。而且在相关军事工作汇报中也会有 VR 技术的支持。2.3.4 虚拟现实在建筑与规划中的应用在城市规划中经常会用到 VR 技术，用 VR 技术不仅能十分直观的表现虚拟的城市环境，而且能很好的模拟各种天气

17、情况下的城市，而且可以一目了然 的了解排水系统，供电系统，道路交通，沟渠湖泊等等。而且能模拟飓风、火灾、水灾、地震等自然灾害的突发情况。对于政府在城市规划的工作中起到了举足轻重 的作用。2.3.5 虚拟现实在网络教学中的应用“虚拟学校”系统的开发，可以让学习者在网络构建的虚拟学校中自由活动，与其他虚拟学习者进行知识的交流，可以在图书馆中阅读，也可以随意选择自己喜欢的课程。“虚拟学校”可以使学习者从多角度了解所学习的知识和技能，提高学习的积极性。2.42.4 虚拟现实技术主要发展动向虚拟现实技术主要发展动向在未来的 VR 技术的主要发展动向主要是以下几个领域：城市规划：系统用于展示城市规划、宣传

18、城市建设、提升城市形象。系统根据城市的当前状况和对城市的未来规划，将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前。大型工程漫游：展示各种拟建设的工程项目，为国际和国内工程设计投标建立多种层次、细节丰富的虚拟模型，真实再现工程竣工后的情况。名胜古迹虚拟旅游：展现名胜古迹的景点，可以任意选择路径遨游各景点，乐趣无穷。虚拟房地产推销：建立建造拟建的楼盘，将未来的美妙蓝图提前变成眼前的现实。 通过简单操作，可以选择任意路径进入拟建楼盘的任意位置，体验空间对人自身的尺度感。配以相关的图片、文字、声音，更显生动。数字化酒店展示系统:实时浏览每套客房的三维虚拟场

19、景 ；通过菜单选项可以进行不同客房的切换演示；交互式客房服务信息 。在教育领域：在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。字节艺术目前为城市规划、市政建设、房产开发、文物古迹、室内装修、工业仿真及虚拟演播室等项目提供专业的虚拟现实制作服务。三MATLAB 介绍3.13.1 MATLABMATLAB 的概况的概况MATLAB 是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常

20、用的形式十分相似,故用 MATLAB 来解算问题要比用 C,FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多.当前流行的 MATLAB 5.3/Simulink 3.0 包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充 MATLAB 的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类.开放性使 MATLAB 广受用户欢迎.除内部函数外,所有 MATLAB 主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构

21、造新的专用工具包.3.23.2 MATLABMATLAB 产生的历史背景产生的历史背景在 70 年代中期,Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用 EISPACK 和 LINPACK 的 FORTRAN 子程序库.EISPACK 是特征值求解的FOETRAN 程序库,LINPACK 是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平.在 MATLAB 进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以 FORTRANC 语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATL

22、AB 的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在 MATLAB 问世不久的 80 年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在 MATLAB 上重建。1992 年推出的 MATLAB 4.0 版告别了 DOS 版，具有划时代的重要意义。1993 年又推出了其微机版。1994 年推出的 4.2 版在图形界面设计上提供了新方法。1997 年推出的 MATLAB 5.0 版对工具箱和 Sinmulink 做了较大的增强。1999 年初推出的 MATLAB 5.3 版在很多方面又进一步改进了 MATLAB 的语言功能。2000 年推出 MATLAB 6.0 正式版（Release 12）

23、 ，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进。2002 年 MATLAB 7.0（Release 13）推出，主要在图形设计方面做出改进。时至今日，经过 MathWorks 公司的不断完善，MATLAB 已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB 已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题

24、。在国内，特别是工程界，MATLAB 一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在 MATLAB 里找到合适的功能。3.3MATLAB 的语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，MATLAB 的特点主要有以下几点：(1)强大的数值运算功能，使矩阵操作变得轻而易举。(2)编写程序时语句简单，但功能强大。所用的时间是用 Fortran 或 C 的几分之一，编程速率大大提高。(3)具有丰富的图形处理功能，例如绘制三维曲线的 plot 函数。(4)提供了一系列的面向解决应用问题的工具箱函数，例如小波分析，神经网络，最优化和虚拟现

25、实工具箱。(5)MATLAB 的易扩展性允许用户自己添加所需要的自定义工具箱函数供自己和同伴的使用。3.43.4MATLAB 应用中应注意的事项(1)MATLAB 的变量名只能由字母、数字和下划线组成，且必须以字母开头。另外 MATLAB 能够区分大小写。(2)MATLAB 的程序文件均以.m 为后缀，在运行程序前一定要对此文件进行set path 搜索路径操作。(3)MATLAB 中的三角函数是面向矩阵中的元素操作的，因此单位用弧度，必要时要进行角度与弧度的转化。(4)在编程过程中，for 语句实现循环通常要比 while 语句简单、直观。(5)在 MATLAB 中选择 helpMATLAB

26、 help 菜单项，可以在遇到难题时对里面的相类似 demo 进行学习。3.5 MATLAB 虚拟现实工具箱的安装与设置以前虽然有一些其他版本的存在，但虚拟现实工具箱是随着 MATLAB 6.1 版本推出而正式推出的，在 MATLAB 7.0 中变得更加完善。虚拟现实工具箱的安装：安装 MATLAB 时，若安装列表中有 VirtualReality Toolbox 选项，则可以在列表中选中此项直接安装。如果之前没有安装此工具箱，则需重新启动 MATLAB 安装程序，输入允许安装该工具箱的 PLP，选择虚拟现实工具箱的安装选项，从而完成虚拟现实工具箱的安装。VRML 预览器安装：在 MATLAB

27、 环境中的 Workspace 中可通过以下命令建立VRML 预览器。 vrinstall install viewerDo you want to use OpenGL or Ditect3d acceleration? (o/d)从上面的提示中可任选一项，选择 o 或 d 表示选择的是 OpenGL 加速或Ditect3d 加速方式，会出现 blaxxunContactviewer 的安装程序，根据弹出的对话框的提示进行全部的预览器程序安装，安装完成后会有如下的提示： Starting viewer installation.Done.VRML 程序编辑器安装：虚拟现实工具箱提供了 V-R

28、ealm Builder 2.0 版作为 VRML 程序编辑器，安装方法为在 MATLAB 命令窗口输入以下命令： vrinstall -install editor可用以下命令来检验上述安装是否成功 Vrinstall -checkVRML viewer:installedVRML editor:installed应注意，在 MATLAB 环境下执行 Vrinstall 命令后面要加空格，然后跟所要执行的命令，否则会出错。3.6 VRML 简介VRML 语言是第二代虚拟现实建模语言，是一种三维造型和渲染的图形描述语言，它把“虚拟世界”看作一个“场景”，场景中的一切看作“对象”，对对象的描述构

29、成了.wrl 文件，在 MATLAB 的虚拟现实工具箱中就是主要采用这种语言来对虚拟现实进行描述。注意：它在描述三维空间时，其坐标框架满足右手准则，这一点与常用坐标系不同。3.7 MATLAB 虚拟现实工具箱相关函数介绍V-realm Builder 2.0 是编辑 VRML 的可视化工具，它可以为用户提供一些搭建虚拟现实的所需要的场景和素材。因为在安装虚拟现实工具箱时它会被安装到工具箱下的 vrealmprogram 目录下，可直接打开其中的 vrbuild2.exe 文件。要得到所需的虚拟现实图像，应首先在 V-realm Builder 中建立起需要的VRML 语言文件。在得到静态图像后

30、，要使得静态图形动起来，用户可以直接用VRML 语言编程来实现，但这对用户掌握该语言编程的技巧要求颇高，因此对一般用户不是一件简单的事。MATLAB 的虚拟现实工具箱为用户提供了一系列简单的函数，这些函数可以对*.wrl 文件中描述的对象的属性直接操作，类似于 MATLAB 对自己对象操作一样方便。在 MATLAB 下调入并获取整个虚拟现实文件和各个对象（节点）的属性可以通过以下命令实现：(1)打开虚拟现实文件*.wrl 用 vrword()函数实现。例如，用此函数可将虚拟现实文件 myvr1.wrl 中描述的世界的句柄赋给 myword 变量。 myworld=vrworld(myvr1.w

31、rl);(2)导入虚拟现实世界用 open()命令实现，显示虚拟现实世界用 view()命令来实现。 open(myword);%用世界句柄导入该世界View(myword);%打开显示界面，显示该世界(3)在导入虚拟现实世界后，用 vrnode()函数可获得各个节点的句柄，set()函数用于修改各个节点的属性。四 飞机绕大楼飞行的模拟实例4.1 构建飞机绕大楼的虚拟世界4.1.1 用 V-realm Builder 建立虚拟世界要实现飞机绕摩天大楼飞行的实景演示，应首先在 V-realm Builder 中建立起需要的 VRML 语言文件。单击 FileNew 打开一个新的文件，点击“背景”

32、按钮为图形添加背景，在默认情况下，背景颜色是渐变的，分为天和地两个部分，如图 4-1 所示。同时将建立起一个名为 Background 的对象，单击 Background左边的加号，将展开有关背景对象的属性，双击所需修改的属性，系统将弹出一个对话框，用户可根据自己的需要对属性进行设置，如图 4-2 所示。图 4-1V-realm Builder 2.0 添加背景的结果图 4-2属性颜色设置4.1.2 添加对象V-realm Builder 2.0 软件提供了大量的对象添加功能，除了在界面第一行工具栏上可看到的长方体、圆锥体、圆柱体等，还提供了很多的现成的对象。对此可以选择 LibraryImp

33、ort fromObjects library 菜单项，如图 4-3(a),得到各种各样的对象库。(a)Libraray 菜单(b)对象选择对话框图 4-3添加对象设置可 以 从 建 筑 组 （ Architecture （ building ） 中 选 择 对 象 摩 天 大 楼（skyscraper）,如图 4-3(b),用左键将之拖动到虚拟现实编辑窗口中。此时在总的框架中加入了一个对象，标为 Transform，将其改写为 skyscraper。由于直接建立起来的对象尺寸过大，显示起来有些问题，需要对其大小进行设置。对此可以双击 skyscraper 标识下的 scale 栏目，则弹出如图 4-4(a)所示的对话框，可以通过减小各坐标轴的标度来使得整个图形可读。另外还可以双击该对象的 center 栏目修改对象所在中心的选项，则弹出如图 4-4(b)所示的对话框。(a)scale 设置对话框(b)center 设置对话框图 4-4对象属性设置对话框同样，可以从飞行交通工具组（Transportation（Air） ）中