【正文】 、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能等高性能計(jì)算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象 、地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等相關(guān) [1]。脫離不同的應(yīng)用背景， VR 技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空 間表示為直觀(guān)的、用戶(hù)熟悉的事物。如圖 表示出了三者的關(guān)系。因此， VR 技術(shù)將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互操作方式。這極大地依賴(lài)于人類(lèi)的想象力。用戶(hù)覺(jué)得自己是虛擬環(huán)境中的一個(gè)部分，而不是旁觀(guān)者。物體圖像能得到不同層次的細(xì)節(jié)審視。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。利用沉浸功能，使用戶(hù)暫時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離，投入到虛擬環(huán)境中，從而能更真實(shí)地注視數(shù)據(jù)。例如日本就出現(xiàn)了可以幫助顧客買(mǎi)房、購(gòu)房的虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)，在日本松下公司的“虛擬廚房”里，顧客可以把自己想買(mǎi)的設(shè)備和餐具安置在廚房的相應(yīng)地方，看看是否合適，雖然認(rèn)識(shí)到這一切都是虛擬的，但還是會(huì)被它的那逼真的效果所迷惑，一不小心就會(huì)全身心的投入進(jìn)去，并且最終買(mǎi)走了自己稱(chēng)心的商 品。 VR技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)該操作的合適的選擇。它以仿真的形式給用戶(hù)創(chuàng)造一個(gè)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖形環(huán)境，通過(guò)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，使人可以“進(jìn)入”這種虛擬的環(huán)境直接觀(guān)察事物的內(nèi)在變化，并與事物發(fā)生相互作用，給人一種“身臨其境”的真實(shí)感。多媒體的本質(zhì)不僅是信息的集成，而且也是設(shè)備和軟件的集成，并通過(guò)邏輯連接形成一個(gè)有機(jī)整體，又可實(shí)現(xiàn)交互控制，所以說(shuō)數(shù)字化、集成性和交互性是多媒體的核心 【 4】 。 虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶(hù)界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。德國(guó)國(guó)家數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)研究中心 (GMD)專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)部門(mén)，研究虛擬現(xiàn)實(shí)表演，沖突檢測(cè)，裝訂在箱子中的物體的移動(dòng)，高速變換以及運(yùn)動(dòng)控制。東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室 研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)研究、最有權(quán)威的單位之一，他們著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理 。CG 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了層面迭加的繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺(jué)，同時(shí)還提供了方便的交互工具，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和畫(huà)面的真實(shí)感都達(dá)到了較高的水平。 ，這就大大降低了模型的三維表現(xiàn)效果。 本文研究的是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合的飛機(jī)飛行動(dòng)畫(huà)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 第 2 章 虛擬 場(chǎng)景 仿真 軟件 的系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 思想 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件主要包括 :模型系統(tǒng)、 坐標(biāo)系統(tǒng)、背景系統(tǒng)、特效系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。同時(shí)在 OpenGL 中并沒(méi)有提供建模的高級(jí)命令，因此建模過(guò)程比較繁瑣，編程量較大。因此建立飛機(jī)模型是進(jìn)行 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件設(shè)計(jì)的第一步，也是構(gòu)成飛行仿真系統(tǒng)的必不可少的一部份。除此之外，在描述飛機(jī)的質(zhì)心位置和姿態(tài)角以及速度時(shí)，一般取該坐標(biāo)系為參考標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)體坐標(biāo)系是與飛機(jī)固連的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在飛機(jī)的重心上，縱軸 OZt 在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正 。 圖 機(jī)體坐標(biāo)系 視點(diǎn)坐標(biāo)系即攝像機(jī)坐標(biāo)系， z 軸指向鏡頭方向， x軸和 Y軸分 別為攝像機(jī)的水平和垂直方向。它們是構(gòu)成飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)三維圖形仿真軟件的基本場(chǎng)景。 木文中為了更好的模擬現(xiàn)實(shí)世界，對(duì) 虛擬 場(chǎng)景 仿真軟件 系統(tǒng)中添加了光照和霧化的特效處理，利用 OpenGL 中的光照函數(shù)給了維場(chǎng)景設(shè)置環(huán)境光、漫射光和鏡面反射光，由此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界中的幾種光照，使模型和場(chǎng)景的顯示效果更加逼真。為使仿真軟件不受外界條件限制，在不具備 Futaba 遙控器 的情況下能靈活 控制 ， 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件也可以采 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 用鍵盤(pán)來(lái)模擬控制飛機(jī)飛行的各種姿態(tài)角及速度的變化，達(dá)到模擬仿真的效果。 第三步 :最后利用 OpenGL 中的繪制及雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真。由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度較快，所以可以實(shí)現(xiàn)顯示圖像的連續(xù)變化，達(dá)到平滑的動(dòng)畫(huà)效果。 ，允許程序透明地存取擴(kuò)充內(nèi)存和擴(kuò)展內(nèi)存 。 Visual C++ 中的 Microsoft 基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù) (MFC)生成 Windows GUI(圖形用戶(hù)接口 )程序。 (Wizard)計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 在 Visual C++ 中可 以使用各種向?qū)?(Wizards). MFC 類(lèi)庫(kù) (Microsoft Foundation Class Library)和活動(dòng)模板庫(kù) (Active Template Library 簡(jiǎn)稱(chēng) ATL)來(lái)開(kāi)發(fā) Windows 應(yīng)用程序，向?qū)?shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)輔助程序設(shè)計(jì)工具，用于幫助用戶(hù)自動(dòng)生成各種不同類(lèi)型應(yīng)用程序風(fēng)格的基本框架。但其移植性比較差，考慮到與各方面的兼容性，用起來(lái)比較麻煩，執(zhí)行效率上也未見(jiàn)得最優(yōu)。 OpenGL:OpenGL 最初用于高端的圖形工作站，后來(lái)其接口與功能得到了發(fā)展，并走向其他平臺(tái)，如 Ms Windows， X Window， OS/2 和 Mac OS 等。OpenGL 提供一系列的圖形變換函數(shù) 。虛擬仿真環(huán)境的建模包括虛擬對(duì)象物體的幾何建模、物理建模和運(yùn)動(dòng)建模。 早期的方法是在仿真程序中完成幾何建模，借助 OpenGL 豐富的圖形處理功能，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成熟的 Bezier， NURBS 等樣條曲面理論設(shè)計(jì)完成。在虛擬 場(chǎng)景 仿真方面凸現(xiàn)出兩種專(zhuān)業(yè)的建模 軟件 ， MultiGen Creator和 3D Studio MAX。它可為二十五種之多的不同類(lèi)型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具，它的 Open Flight 格式在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域成為最流行的模型格式，并成為仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 【 7】 。該仿真系統(tǒng)具有兩種工作方式 :聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和單機(jī)運(yùn)行。如果收到數(shù)據(jù)，則判斷線(xiàn)程同步標(biāo)記是否為 0，若是置其為 1，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 (輔助線(xiàn)程到主程序文檔結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)傳輸 )傳輸完畢，線(xiàn)程同步標(biāo)記還原為 0。根據(jù)相應(yīng)的需要開(kāi)幾個(gè)模型節(jié)點(diǎn)。 虛擬 場(chǎng)景 仿真 軟件 的表現(xiàn)方法 虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)是運(yùn)用虛擬 場(chǎng)景 仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 場(chǎng)景 仿真表現(xiàn)模型 虛擬 場(chǎng)景 涉及到大量的圖形、文字、音頻、視頻等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為了實(shí)時(shí) 地表場(chǎng)景設(shè)置 模型調(diào)入 地形調(diào)入 天空實(shí)現(xiàn) 特殊效果 粒子系統(tǒng) 場(chǎng)景刷新 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 現(xiàn)這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，虛擬 場(chǎng)景 仿真平臺(tái)需要建立仿真動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的虛 擬 場(chǎng)景 仿真 表現(xiàn)模型。 本章小結(jié) 本章根據(jù) 虛擬 場(chǎng)景 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)提出了飛機(jī)飛行仿真的整體結(jié)構(gòu)圖，即說(shuō)明了此仿真軟件的基本構(gòu)成模塊，以及各模塊在仿真軟件中的作用，確 定了各坐標(biāo)系之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后結(jié)合選用的工具軟件和課題實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出 虛擬場(chǎng)景 仿真軟件的設(shè)計(jì)流程，根據(jù)其設(shè)計(jì)思路以此實(shí)現(xiàn)仿真。 1983年， Reeves 首次提出了粒子系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行不規(guī)則物體模擬，每一幀中都要進(jìn)行以下的基本操作 : ，并為每個(gè)新粒子分配初始屬性。 以上步驟反復(fù)循環(huán)就形成了物體的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。粒子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存著粒子在當(dāng)前時(shí)刻的 各種屬性，這些屬性在每個(gè)幀周期內(nèi)動(dòng)態(tài)更新。 粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 所示。很明顯，這 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 樣的算子 T并不唯一，記算子 T 的集合為 B，則 : B={T: Vx ∈ [al， b1]， Tx ∈ [a2 ， b2]} B中最簡(jiǎn)單的算子為線(xiàn)性算子，記為 T1 ∈ B，那么 : Tlx=(b2 一 a2)/(bl 一 al)*x + (a2b1 一 a1b2)/(bl 一 al) 另外 一 種常見(jiàn)的算子在程序的設(shè)計(jì)是經(jīng)常使用，設(shè)隨機(jī)變量 x 是 [al ， b1]內(nèi)服從均勻分布的整數(shù)，下而介紹將其轉(zhuǎn)化成 [a2 ， b2]內(nèi)服從均勻分布的整數(shù) .設(shè) X， C 都是整數(shù)，記 y=X%C 為 X除 以 C的余數(shù)，則 Y 服從 [0， c]上的均勻分布，且 y 為整數(shù)。 當(dāng)然，這并不是粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在，粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何根據(jù)景物特征來(lái)確定粒子屬性的恰當(dāng)范圍，使 粒 子 系統(tǒng)能逼真地模擬實(shí)際景物。在本文中，粒子系統(tǒng)的屬性包括粒子的位置信息、速度信息、顏色信息以及生命周期等。//粒子運(yùn)動(dòng)的方向 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 float x， y， z。 //淡化 alpha 值 struct particle *next， *prev。這一部分產(chǎn)生任一數(shù)目的新的粒子，粒子屬性 根據(jù)條件 設(shè)定 或者隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生控制。 ?；玖Ｗ拥某跏嘉恢秒S機(jī)地分布在一個(gè)圓周上，這個(gè)圓周的直徑和飛機(jī)排氣口的直徑相等，各粒子以一定的角度離開(kāi)圓面向外運(yùn)動(dòng)，這個(gè)角度可以隨機(jī)地給取，但要考慮仿真的真實(shí)性。設(shè)粒子的速度和加速度分別為 : v(t)， a(t)=w(t)+g (t) (33) t 為時(shí)間參數(shù)，則 dt 時(shí)間內(nèi) (計(jì)算粒子位移時(shí)，在 dt 很小的情況下，可以認(rèn)為在 dt 時(shí)間內(nèi)粒子的速度保持恒定 )，位移和速度的變化量分別為 : Δs=v(t) Δ t， Δ v=a(t) Δ t (34) 另外，在式 (31)中定義的顏色和透明度經(jīng)過(guò)初始化以后也要做相應(yīng)的變化。比如一個(gè)粒子的顏色已 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 接近黑色，因而它不再對(duì)圖像的顏色有任何貢獻(xiàn)，此時(shí)就可讓它死亡。為了增強(qiáng)真實(shí)感，可以采用紋理映射技術(shù)為每個(gè)粒子貼上紋理圖。 具體做法是 :MyPos 和 Pos 分別表示視點(diǎn)和粒子的位置，則 MyPos 與 Pos 的矢量差 S1 表示火焰粒子渲染平面現(xiàn)在的法向量，隨著視點(diǎn)和粒子的移動(dòng)，設(shè)移動(dòng)后視點(diǎn)和粒子的位置的矢量差為 S2，則 S1 和 S2 所成的角度就是渲染平面需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，利用矢量知識(shí)我們不難求出 θ : θ=arccos( S1S2/|S1||S2|) (35) 這種函數(shù)比用大量粒子節(jié)約了很多計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間，大大提高了顯示速度。顯示列表實(shí)際上是一系列命令的高速緩存， 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 而不是在內(nèi)存中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，故不必進(jìn)行內(nèi)存管理，也不占用內(nèi)存資源，能夠使繪制性能大幅提高。而這種比例就來(lái)源于 Alpha 值，即 (r， g， b， a)中的 a值，通常稱(chēng) a 為不透明性，稱(chēng) (1a)為透明性。 4. LOD ( Level Of Detail)細(xì)節(jié)層次技術(shù) 層次細(xì)節(jié)模型思想是指對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景或景物中的物體使用具。 霧化是用來(lái)模擬大氣效果，可以把霧化看作是影響遠(yuǎn)處物體視覺(jué)效果的一種過(guò)濾器，通過(guò)選擇霧化函數(shù)、顏色、濃度等參數(shù)，獲得不同的模糊效果。 OpenGL 提供了融合、反走樣、霧化等技術(shù)用于特殊顯示效果的處理。顯示列表是一組被存儲(chǔ)起來(lái)的 OpenGL 命令，與子程序不同的是，這些命令是經(jīng)過(guò)編譯的，執(zhí)行效率高，從而可以有效地提高 OpenGL 的繪圖性能。 視線(xiàn)跟蹤技術(shù)的使用避免了這種情況的出現(xiàn)，該技術(shù)的原理是 :通過(guò)計(jì)算視點(diǎn)和粒子的相對(duì)位置，得到視線(xiàn)向量，然 后對(duì)該粒子的紋理映射平面進(jìn)行一定的旋轉(zhuǎn)，使其垂直于視線(xiàn)向量。本文采用以下技 術(shù)來(lái)加快實(shí)時(shí)顯示速度，同時(shí)提高真實(shí)度 【 9， 10， 11】 。這種粒子最后與背景融為一體可以用參數(shù) Alpha 來(lái)表 示這種情況，設(shè)初始 Alpha 值為 1，表示粒子完全不透明且其在屏幕上的顏色為粒子本身的顏色，用“ Δ Alpha 來(lái)控制粒子消融的速度，則Alpha=AlphaΔ Alpha，在隨后的運(yùn)動(dòng) Alpha 值逐步減少。假設(shè)風(fēng)力是三維向量的隨機(jī)過(guò)程，目的是仿真風(fēng)的自然運(yùn)動(dòng)，通過(guò) w(t)， g(t)和其它人為干預(yù)函數(shù)，構(gòu)造了一個(gè)綜合的力場(chǎng)來(lái)控制尾焰的運(yùn)動(dòng)，對(duì)某一個(gè)粒子而言，速度的變化包括常量加速和隨機(jī)加速，這種加速度保證了粒子在宏觀(guān)上表現(xiàn)出有序運(yùn)動(dòng)而在微觀(guān)上表現(xiàn)出無(wú)序運(yùn)動(dòng)，因此大量粒子的集合構(gòu)成了導(dǎo)彈尾焰的外觀(guān)形態(tài)。尾焰粒子集定義為上述尾焰粒子的有限集合，其中每一個(gè)粒子都具有上述的這些性質(zhì)和狀態(tài)，所有這些屬性都是時(shí)間 t的函數(shù)，粒子的初始屬性由隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生，通過(guò)粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化表示出動(dòng)態(tài)的尾焰。模擬現(xiàn)存的粒子屬性并以時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)更新粒子的各項(xiàng)屬性。 粒子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都經(jīng)歷“產(chǎn)生 ?成長(zhǎng) ?發(fā)展 ?消亡”的過(guò)程。 //粒子的 X和 Z 方向增加值 char type。//粒子的生命期 float v。 粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一個(gè)粒子系統(tǒng)的是由大量的簡(jiǎn)單體元素構(gòu)成的。 有了 上述 的變換，再根據(jù)粒子系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，確定粒子系統(tǒng)初始屬性范圍，利用 T1 或 T2 將己有的隨機(jī)函數(shù)轉(zhuǎn)化到需要的范圍。在實(shí)現(xiàn)粒子系統(tǒng)的過(guò)程中，需要讓粒子的某些屬性在給定的范圍內(nèi)隨機(jī)變動(dòng)，但已有的隨機(jī)函數(shù)卻并不能保證這一點(diǎn) (如 C+中的rand()函數(shù)產(chǎn)生 [ 0 ， 2321 ]內(nèi)服從均勻分布的整數(shù)，這顯然不是所需要的范圍 )。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了減輕計(jì)算機(jī)圖像生成系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，可以采用頂點(diǎn)數(shù)組來(lái)提